W wyborach w 2011 po raz kolejny uzyskała mandat deputowanej. Socjaldemokraci zajęli w nich drugie miejsce za rządzącymi liberałami, jednak wraz z potencjalnymi koalicjantami uzyskali łącznie nieznaczną większość w parlamencie. Helle Thorning-Schmidt stała się tym samym kandydatem do otrzymania misji utworzenia nowego rządu. Ostatecznie 3 października 2011 królowa Małgorzata II mianowała ją na urząd premiera Danii. W skład utworzonego przez nią gabinetu weszło także 10 ministrów z Socialdemokraterne (S), 6 ministrów z socjalliberalnej Radykalnej Lewicy (RV) i 6 z Socjalistycznej Partii Ludowej (SF). Socjaliści opuścili rząd w 2014. 3 lutego 2014 Helle Thorning-Schmidt utworzyła drugi gabinet pod swoim kierownictwem. Również w 2014 publicznie opowiedziała się za przyjęciem przez Danię wspólnej waluty europejskiej euro, do czego nie doszło w trakcie jej urzędowania.
W 2015 ponownie została wybrana do Folketingetu, a kierowana przez nią partia zajęła w tym głosowaniu pierwsze miejsce, zwiększając swoją reprezentację parlamentarną. Ugrupowania lewicowe utraciły jednak w tych wyborach większość parlamentarną. Bezpośrednio po ogłoszeniu wyników zrezygnowała z przywództwa w swoim ugrupowaniu.