Kirgizisztánkülügyminisztere volt 1992-ben, 1994–97-ig és 2005-ben, és 2010. április 7-étől Kirgizisztán elnöke. 1981-ben a Szovjetunió Kommunista Pártjának (SZKP) funkcionáriusa lett Kirgizisztán akkor még Frunze nevű fővárosában, a mai Biskekben. 1986-ban ő lett a Kirgiz Szovjet Szocialista Köztársaság minisztertanácsának elnökhelyettese. 1989 és 1991 a Szovjetunió külügyminisztériumánál dolgozott Moszkvában. A Szovjetunió megszűnése után visszatért az immár függetlenné vált Kirgizisztánba. Ő lett hazája külügyminisztere 1992-ben, majd 1992-től 1994-ig az USA-ba és Kanadába, 1997-től 2002-ig pedig Nagy-Britanniába akkreditált nagykövete. 2002-től az ENSZ főtitkára különleges megbízottjának asszisztense lett az abház konfliktusban, ekkor szemtanúja volt az Eduard Sevardnadze grúz elnök elleni 2003-as Rózsás Forradalomnak. 2004 nyarán visszatért hazájába és három másik ellenzéki képviselőtársával megalapította a Haza (Ata-dzsurt, Ата журт) nevű politikai mozgalmat. A 2005. február 27-én esedékes parlamenti választáson való indulását azzal az ürüggyel utasították el, hogy a megelőző öt évben nem tartózkodott Kirgizisztánban. Szerepet vállalt a választási csalásokban vétkes Aszkar Akajev elnök elűzésében, akit az ezt követő népharag következtében fellépő Tulipános Forradalom buktatott meg 2005. március 24-én. Ekkor rövid ideig újra ő lett a külügyminiszter, de szeptemberben már elutasította őt az újjáválasztott parlament, mikor az új elnök, Kurmanbek Bakijev újra őt kívánta jelölni erre a posztra.
Otunbajeva fokozatosan kiszorult a hatalomból, és ő lett Bakijev egyik legfőbb ellenfele, az ellenzék vezére. 2006 januárjában társelnöke lett a Zászló (Aszaba, Асаба, Nemzeti Ébredés Párt) nevű politikai tömörülésnek. Otunbajeva végül 2007-ben bekerült a parlamentbe a Szociáldemokrata Párt színeiben, bár a szociáldemokraták a 90 mandátumból csak 11-et tudtak megszerezni, míg Bakijev pártja 71-et. 2009-ben ő lett pártja parlamenti frakciójának a vezetője.
2010-ben felkelések robbantak ki Bakijev uralma ellen, aki pár héttel később elmenekült az országból, és jelenleg Fehéroroszországban tartózkodik, és a politikai hatalomba való visszatérésén tevékenykedik, de Otunbajeva kormánya a kiadatását és bíróság elé állítását követeli. Bakijev elűzésével ő lett az Ideiglenes Kormány elnöke és ezzel együtt az ideiglenes köztársasági elnök, és ebbéli megbízatását 2011 végéig meghosszabbították, melyet a 2010. június 27-én megtartott népszavazáson is megerősítettek, de az új parlamenti választásokat előreláthatólag 2010 októberében tartják meg. Otunbajeva kormányát elismerték a nagyhatalmak is, mind az Egyesült Államok, mind pedig Oroszország kormánya.
2010. június 12-én Roza Otunbajeva levélben fordult Dmitrij Medvegyev orosz elnökhöz, melyben katonai segítséget kért Oroszországtól az etnikai alapú zavargások megfékezésére, melyek Kirgizisztán második legnagyobb városában, az elnökasszony szülővárosában, Osban törtek ki.[4] A kirgiz elnöknő ugyanezen a napon aláírt egy rendeletet, mely szerint elrendelte a tartalékosok részleges mozgósítását is, hogy a törvényes kirgiz kormány elleni zavargásokat hatékonyan le tudja verni.[5]
Az elnökasszony 2010. július 3-án letette a hivatali esküt, azt követően, hogy a 2010. június 27-én tartott népszavazás helyben hagyta az új alkotmányt, mely szerint Kirgizisztán a jövőben elnöki köztársaságból parlamentáris köztársaság lesz. A 90,55%-os többséggel támogatott referendum eredményeként a népfelkeléssel hatalomra jutott új elnök ezzel megkérdőjelezhetetlenül legitim államfővé vált.[6]
„Szakértők az egyik legtapasztaltabb kirgiz politikusnak tartják Otunbajevát, akit pragmatikus politikusként, jó diplomataként és tapasztalt tárgyalóként, valamint integráló személyiségként jellemeznek, aki képes lehet az eddigieknél konzisztensebb, következetesebb politikát folytatni a Kína–USA–Oroszország erőtérben.”[7]