Το 2004 εξελέγη Ευρωβουλευτής με το ΠΑΣΟΚ, συμμετέχοντας στην Κοινοβουλευτική Ομάδα του Ευρωπαϊκού Σοσιαλιστικού Κόμματος. Διετέλεσε κοινοβουλευτική εκπρόσωπος της Ομάδας για θέματα Γεωργίας και Αγροτικής Ανάπτυξης, από το 2004 έως το 2007. Ακόμα, το 2007, ανέλαβε πρόεδρος της Επιτροπής Πολιτισμού και Παιδείας του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου, θέση την οποία διατήρησε έως το τέλος της κοινοβουλευτικής περιόδου. Συμμετείχε ως μέλος στις επιτροπές Γεωργίας και Ανάπτυξης της Υπαίθρου, Οικονομικών και Νομισματικών Θεμάτων, Δικαιωμάτων των Γυναικών και Ισότητας των Φύλων και Πολιτισμού, Παιδείας και Νεολαίας του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου.
Το 2009 εξελέγη βουλευτής με το ΠΑΣΟΚ στο Νομό Φθιώτιδας. Στις 6 Οκτωβρίου 2009, διορίστηκε από τον πρωθυπουργό Γιώργο Παπανδρέου Υπουργός Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίμων, θέση την οποία διατήρησε έως τις 7 Σεπτεμβρίου 2010, οπότε και έγινε ο πρώτος ανασχηματισμός.
Το 2014, συμμετείχε στην ίδρυση της Ελιάς - Δημοκρατικής Παράταξης, στην οποία μετείχε το ΠΑΣΟΚ. Μάλιστα, η Κατερίνα Μπατζελή τοποθετήθηκε στο ευρωψηφοδέλτιο της ΕΛΙΑΣ, τερματίζοντας 5η, συγκεντρώνοντας 67.391 σταυρούς προτίμησης, χωρίς ωστόσο να καταφέρει να εκλεγεί ευρωβουλευτής.
