Vuoden 2015 eduskuntavaaleissa Lehtomäki oli ehdolla kotikuntansa Helsingin vaalipiirissä, mutta jäi 4 531 äänellä varasijalle.[8] Pääministeri Juha Sipilä nimitti hänet valtiosihteerikseen valtioneuvoston kansliaan, sillä Lehtomäellä oli enemmän ministerikokemusta kuin Sipilän vetämällä ministeriryhmällä.[7] Lehtomäki toimi myös Suomi 100 -juhlavuoden puheenjohtajana[5] ja vastasi 1918 muistovuoden järjestelyistä.[7] 1. helmikuuta 2017, Lehtomäki nousi eduskuntaan Olli Rehnin tilalle, mutta jätti samana päivänä eroanomuksen pysyäkseen valtiosihteerin tehtävässä.[9] Eroanomuksen hyväksymisen myötä Lehtomäen kansanedustajan tehtävät siirtyivät seuraavalle varakansanedustajalle Pekka Puskalle.[10]
Syksyllä 2018 pohjoismaiset yhteistyöministerit valitsivat[11] valtiosihteeri Lehtomäen Pohjoismaiden ministerineuvoston pääsihteeriksi.[2] Neljän vuoden tehtävässään hän aloitti seuraavan vuoden maaliskuussa ollen ensimmäinen roolin valittu nainen.[11]
Elokuussa 2009 Lehtomäki ilmoitti kannattavansa norjalaisen kaivosyhtiön Yaran suunnitteleman Soklin kaivosradan rakentamista Natura-alueen läpi, jollei luontoa suotta tärvellä ja poroelinkeinon mahdollisuudet turvataan. Lehtomäki kannatti myös Sallatunturin matkailualueen laskettelurinteiden laajentamista vanhojen metsien suojelualueelle, jos huomioidaan metsien suojeluun liittyvät arvot.[17] Näkemykset herättivät kritiikkiä erityisesti Luonnonsuojeluliitossa, joka ilmaisi olevansa valmis puolustamaan luonnonsuojelualueita tarvittaessa oikeustoimin.[18]
Eräs Lehtomäen ympäristöministerikaudella keskustelua ja kritiikkiä herättänyt asia oli asetus jätevesien käsittelystä haja-asutusalueilla.lähde? Lehtomäki käynnisti vuonna 2008 kaksi selvitystä, joiden pohjalta asetusta korjattiin. Näistä ympäristöministeriön oma selvitys keskittyi tiedottamisen tehostamiseen. Ympäristöministeriön entisen kansliapäällikön Lauri Tarastin selvitystyössä kiinnitettiin huomio vaatimusten kohtuullistamiseen.[19] Jätevesien puhdistamiselle annettiin lisäaikaa.[20] Vesien puhdistamistoimet maaseudulla pysähtyivät, kun jäätiin odottamaan säätelyn tulevaisuudessa lievenevän.[21] Jätevesiasetusta pidettiin merkittävänä tekijänä keskustan vaalitappiossa 2017.[22]
Talvivaara
Syksyllä 2010 silloin ympäristöministerinä toiminut Lehtomäki ilmoitti lähipiirinsä omistavan merkittävän määrän Talvivaaran Kaivososakeyhtiön osakkeita.[23] Lehtomäen puoliso oli ostanut 200 000 eurolla Talvivaaran osakkeita paria viikkoa ennen kuin Talvivaara ilmoitti aikovansa käynnistää kaivoksellaan Sotkamossa uraanin talteenoton. Lisäksi puoliso oli ostanut 100 000 eurolla osakkeita sen jälkeen.[24]Finanssivalvonta tutki, oliko Lehtomäen perheen osakekaupoissa hyödynnetty sisäpiiritietoa.[25] Lehtomäki kiisti epäilyt.[26] Marraskuussa 2010 Finanssivalvonta totesi, ettei se ollut löytänyt viitteitä sisäpiiritiedon käytöstä.[27]
Venäjä-suhde
Lehtomäki valittiin Suomi–Venäjä-Seuran puheenjohtajaksi kolmevuotiskaudelle kesäkuussa 2014.[28] Joulukuussa Suomen PEN -sananvapausjärjestön ex-puheenjohtaja Jukka Mallinen väitti Suomen Kuvalehdessä julkaistussa mielipidekirjoituksessaan Lehtomäen ja Heikki Talvitien palauttaneen SV-seuran Kremlin tukijaksi.[29]
Keskustan entiset poliitikot Lehtomäki, Paavo Väyrynen ja Sirkka-Liisa Anttila olivat kukin tahoillaan arvostelleet median Venäjä-uutisointia. Maaliskuussa 2015 ulkomaankauppaministeri Lenita Toivakka kertoi pitävänsä heidän media-arvosteluansa kummallisena mutta suositteli Suomen tiedonvälineille tarkkuutta disinformaation suhteen. Keskustan puheenjohtaja Juha Sipilän mukaan kolmikon puheet eivät vastanneet puolueen linjaa. Hänestä uutisointi Ukrainan tilanteesta oli ollut tasapuolista.[30]
Omissa puheenvuoroissaan Lehtomäki tuomitsi Venäjän valtion toimet Ukrainassa, mutta korosti pyrkimystä naapuruussuhteiden rakentamiseen ja ylläpitoon myös vaikeina aikoina.[31][32]
Marraskuussa 2015 Lehtomäen seuraajaksi puheenjohtajana valittiin Katri Kulmuni.[33]
↑”Venäjä - Ikuinen naapurimme”, Tähän on tultu! ja nyt rakennetaan tulevaisuutta. Keskustan kansanedustajien ajatuksia. s. 37. Suomen Keskusta, Keskustan eduskuntaryhmä, 2015.
1Susanna Haapoja kuoli 30. toukokuuta 2009, hänen tilalleen eduskuntaan nousi Lasse Hautala.
2Matti Vanhanen luopui kansanedustajuudesta ja siirtyi Perheyritysten liiton toimitusjohtajaksi 2010. Hänen tilalleen eduskuntaan nousi Seppo Särkiniemi.
2Markku Uusipaavalniemi erosi keskustan eduskuntaryhmästä 2010 ja liittyi perussuomalaisiin.
1Mari Kiviniemi valittiin OECD:n apulaispääsihteeriksi heinäkuussa 2014, jolloin hänen tilalleen eduskuntaan nousi Terhi Peltokorpi.
2Laila Koskela erosi perussuomalaisista marraskuussa 2014 ja liittyi keskustan eduskuntaryhmään.
1 Paavo Väyrynen päätti jatkaa Euroopan parlamentissa, jolloin hänen tilalleen eduskuntaan nousi Mikko Kärnä. Väyrynen palasi eduskuntaan 2018, mutta ei liittynyt keskustan eduskuntaryhmään. 2 Olli Rehn siirtyi Suomen Pankin johtokuntaan, jolloin hänen tilalleen eduskuntaan nousi Paula Lehtomäki. Lehtomäki päätti kuitenkin jatkaa valtiosihteerinä, jolloin hänen tilalleen nousi Pekka Puska. 3 Elsi Katainen siirtyi Euroopan parlamenttiin, jolloin hänen tilalleen eduskuntaan nousi Eero Reijonen. 4 Mirja Vehkaperä siirtyi Euroopan parlamenttiin, jolloin hänen tilalleen eduskuntaan nousi Eija Nivala. Nivala kuitenkin valittiin Ylivieskan kirkkoherraksi, jolloin hänen tilalleen nousi Hanna-Leena Mattila.