כחבר הבונדסטאג משנת 2002 עד מרץ 2011, גוטנברג החזיק לתקופה קצרה את תפקיד המזכיר הכללי של מפלגתו, לפני שמונה לשר הפדרלי לכלכלה וטכנולוגיה בחודשים האחרונים של הקבינט הראשון של אנגלה מרקל ב-10 בפברואר 2009. לאחר שנכנס לתפקידו בקבינט, הוא הפך במהרה לאחד הפוליטיקאים הפופולריים ביותר של גרמניה. מ-28 באוקטובר 2009 שימש גוטנברג כשר ההגנה של גרמניה בקבינט השני של מרקל. בעקבות גילוי של הביקורת הציבורית על תארו הלימודי בוטל הדוקטורט שקיבל בעברו, ופרשה זו הובילה להתפטרותו מתפקיד שר הביטחון ב-1 במרץ 2011.