2015年1月より内閣委員会、行政監視委員会、東日本大震災復興及び原子力問題特別委員会、国の統治機構に関する調査会 に所属[35]。

2016年7月の第24回参議院議員通常選挙では東京都選挙区（改選数6）から無所属で立候補した三宅洋平を支援（結果は落選）[36]。

同年10月12日、「生活の党と山本太郎となかまたち」が「自由党」に党名変更を決定したことにともない、党籍を自由党に置いたまま、自身の政治団体「山本太郎となかまたち」から次期衆議院選挙で東京ブロックで候補者擁立をめざすことを表明した[37] が、最終的には擁立を見送った。

2018年10月、フランスの「人民共和連合」党首と国際情勢に纏わる意見交換が行われた[38]。
2019年参議院議員選挙

2019年4月10日、夏の参議院議員選挙に向けて同月下旬に自由党を離党する一方、新たに政治団体「れいわ新選組」を設立[39][40]。

同年7月に行われた第25回参議院議員通常選挙に比例区より立候補、比例区の全候補者で最多となる991,756票[41][42][43] の個人名票を得るも落選（山本以外の候補者2人が「特定枠」で優先して当選したため）[44]。「れいわ新選組」の得票率が4.6%であったことから[45]、政党要件を満たした「れいわ新選組」の党代表となる[46]。

なお、選挙期間中には、山本の政見放送動画が84万回再生される（安倍首相出演の自民党の政見放送の約13万回を上回る）、山本と安倍首相による自民党の政見放送を比較した動画が130万回超再生される[47] など盛り上がりを見せる[48][49]、山本の街頭演説の動画がSNSで大量にリツイートされる[50] など、SNS上での選挙戦略も含めその勢い[49][51] は「社会現象化」[50][52]、「れいわフィーバー」[51][53]、「れいわ旋風」[54][55][56][57][58][59] などとメディアで評され、選挙後には、自身は議席を失ったものの「れいわ新選組」は”躍進”と複数の記事で報じられ[60][61][62][63][64][65]、複数の野党から連携を持ちかけられるなど、注目される存在となった[60][66]。
2020年東京都知事選挙2020年6月27日、東京都知事選挙の演説中（北千住駅西口デッキにて）

2020年7月5日執行の東京都知事選に立候補するも、（立候補22名中）得票数3位で落選[67][68]。得票数は657,277票（得票率10.7%）[69]。

7月7日、福山哲郎が「支持層が重なっている山本太郎さんが最終局面になって出たということで、野党側の票が割れることは自明になった」と恨み節を述べた、と報じられた[70]。

7月5日、山本は、「高かった（小池）百合子山、1億2970万4391円の寄付金が集まり、選挙に関する支出は1億2450万777円」と記者会見した[71]。
2021年衆議院議員選挙2021年10月24日、横浜駅西口にて衆院選の街頭演説中