Du 18 juin 2007 au 13 novembre 2010, Jean-Louis Borloo est ministre de l'Écologie, de l'Énergie, du Développement et de l'Aménagement durable, en charge en outre des transports et de la Mer du gouvernement François Fillon 2. Il succédait à Alain Juppé, démissionnaire en raison de sa défaite aux législatives.

Jean-Louis Borloo s'est clairement engagé en faveur de la lutte contre le dérèglement climatique. Il a notamment été chargé d'organiser le Grenelle Environnement et de préparer, défendre et faire adopter les procédures législatives issues des conclusions de ce dernier : la loi Grenelle I du 3 août 2009 puis celle dite « Grenelle II » du 12 juillet 2010. Ces textes permirent notamment la mise en place des nouvelles normes énergétiques dans le bâtiment, des avantages fiscaux pour la rénovation thermique des bâtiments, des diagnostics d'efficacité énergétique, le doublement des tramways, le lancement des autoroutes ferroviaires, la fin des TGV Est, le lancement du TGV Bretagne-Atlantique, du TGV Paris-Bordeaux- Espagne, le bonus-malus écologique pour les voitures, les autoroutes maritimes, la création du collège écologiste au Conseil économique et social (devenant le Conseil économique social et environnemental, Agence pour la biodiversité).

Par ailleurs pendant la présidence française de l'Union européenne, il aura la charge du paquet « Climat-Énergie » visant aux 3 × 20 (20% d'énergie renouvelable, 20% de réduction des émissions et 20% d'efficacité énergétique). Après l'accord de tous les États membres, le texte sera largement voté, à la quasi-unanimité par le Parlement européen.

Il s'est aussi très fortement impliqué dans le sommet de Copenhague en présentant un « plan justice-climat » qui visait à réduire les émissions de CO2 en se fondant sur la solidarité entre pays riches et pauvres D'abord déçu à l'issue de la conférence notamment par les Américains, il présente le sommet comme un succès lors de son audition par l'Assemblée nationale sur son action et critique tout projet de traité juridiquement contraignant ce qu'était la critique de l'époque et sous réserve que soit mis en place les 10 milliards de dollars prévus pour l'Afrique et les petites îles.

En 2010, alors que Jean-Louis Borloo était ministre de l'Écologie, des arrêtés continuent à être signés par l'administration autorisant les recherches exploratoires sur les gisements de gaz de schiste. L'économie principale des départements concernés (Ardèche, Aveyron, Drôme, Gard, Hérault, Lozère et Vaucluse) reposant sur l'agriculture et le tourisme, le dossier y donne lieu à plusieurs manifestations malgré les promesses du gouvernement d'interdire ces extractions. Assumant son défaut de vigilance, il déposa lui-même une proposition de loi visant à annuler ces permis et interdire ces pratiques et vota celle de l'UMP qui avait été déposée le même jour. Ce texte a été voté par l'Assemblée, mais n'est que partiellement adoptée par le Sénat.

Il est un temps pressenti pour devenir Premier ministre après le remaniement de l'automne 2010. Cependant, Nicolas Sarkozy choisit le 14 novembre 2010 de reconduire François Fillon à son poste et demande à Jean-Louis Borloo de rester au gouvernement en lui proposant de poursuivre à son poste ou au ministère des Affaires étrangères ou à celui de la Justice, ce que Jean-Louis Borloo refuse par communiqué.

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