2009年12月13日、自民党が小泉による海上自衛隊横須賀基地（神奈川県横須賀市）見学ツアーを実施した際には、50人の定員に約5,200人の応募が殺到するなど、「スター不在」とされる自民党内で際立った存在と見られている[13][14]。

2010年1月の時点で衆議院では内閣委員会、総務委員会、安全保障委員会に所属し、自民党では遊説局長代理、青年局次長、外交副部会長、財務金融副部会長、環境副部会長などの役職を兼務して、外交、財務金融、環境の、3つの部会に所属していた。同年10月には自民党学生部長、新聞出版局次長にも併せて就任した。

2011年10月に自民党青年局長、国会対策委員会委員に就任した。

2012年4月、郵政改正法案に造反[15]しても処分されなかった。同年6月26日の消費税増税法案には賛成票を投じた。同年8月9日、国民の生活が第一など野党6党が提出した野田内閣不信任決議案の採決では、棄権方針の自民党執行部に造反し、元幹事長の中川秀直などとともに賛成票を投じた。同年9月26日の自民党総裁選挙で青年局主催の候補者公開討論会を自民党青年局長として仕切る立場であり、当初は9月19日の公開討論会後に支持候補を表明すると明言していた[16]が、人気や知名度の高い小泉の支持表明は党員票や議員票として総裁選に影響を与えると目されるとして報道が過熱したことから、「衆議院1回生の私の1票が影響を与えるのは不本意。身の程をわきまえて行動する」と述べ、総裁選が終わるまで支持表明を行わない方針を示した[17][18]。総裁選終了後に石破茂に投票したことを発表した[19]。

同年12月の第46回衆議院議員総選挙で再選し、党職では本人の希望もあって2期目の青年局長続投となった。この選挙で自民党が大勝した結果、青年局所属議員は82人となった[20]。

2013年9月30日、青年局長を退任し内閣府大臣政務官（経済再生、経済財政、環太平洋経済連携協定（TPP）等担当[21]）兼復興大臣政務官に就任した。

2014年12月の第47回衆議院議員総選挙で3選。

2015年10月23日、自民党農林部会長に就任[22]。同年12月、政府が2015年度補正予算案に、低所得の年金受給者に1人あたり3万円を支給する臨時給付金を盛り込む方針について、「軽減税率対策として6000億足りない。一方で臨時給付金の4000億は簡単に出る。これが国民にどう思われるか。」と主張[23]、これらがきっかけとなり、2016年2月、若手議員の視点からの議論を期待して、自民党財政再建に関する特命委員会の下に、「2020年以降の経済財政構想小委員会」が設置され、小泉は事務局長に就任した[24]。

同年8月、2020年以降の経済財政構想小委員会の委員長代行に昇格しつつ[25]、自民党農林部会長に留任。党部会長の人事では小泉のみ留任となった[26]。9月に第3次安倍第2次改造内閣下で設立された内閣府規制改革推進会議から、11月に「農薬などの資材を農家に売る事業からの撤退」や「農産品の委託販売の廃止」などの組織改革を早期に行うよう迫る厳しい提言があったが、党内で話合いの末に全農による自主的な組織刷新を行うという政府・自民党の農業改革案が了承されている[27]。「全農の体制こそ農家の経営の自由を奪う存在だ」と主張し、自民農林部会長として農業改革を主導している[28][29]。

2017年8月より柴山昌彦とともに自民党筆頭副幹事長[30]。

同年の第48回衆議院議員総選挙で4選。

2018年10月、自民党厚生労働部会長。

2019年9月11日、第4次安倍第2次改造内閣で環境大臣として入閣。男性としては戦後最年少（38歳）で閣僚となった（女性には1998年に37歳で小渕内閣で郵政相に就任した野田聖子や、2008年に34歳で麻生内閣少子化担当大臣になった小渕優子がいる）[31]。