Après la réunification allemande, elle quitte l'assemblée municipale le , jour de la tenue du premier scrutin dans Berlin réunifiée, au cours duquel elle est élue députée à la Chambre des députés. Elle y occupe, jusqu'en 1993, la présidence du groupe parlementaire PDS, puis se voit désignée trois ans plus tard présidente de la commission des Affaires européennes, fédérales, et des médias.
Après avoir siégé au comité directeur berlinois du PDS de 1991 à 1993, elle préside, depuis 1994, la section du parti dans le quartier de Lichtenberg.
Aux élections fédérales de 2009, elle est réélue pour un troisième mandat en obtenant 47,5 % des voix. Le , Gesine Lötzsch est désignée coprésidente du parti Die Linke, aux côtés de Klaus Ernst, en recueillant 92,8 % des voix au congrès de Rostock[1]. Elle démissionne le , à cause de la maladie de son mari[2]. Ernst assure donc désormais seul la présidence du parti.