Hun ble valgt til leder av SF 13. oktober 2012, da hun tok over for Villy Søvndal.[1] Hun trakk seg 30. januar 2014 etter å ha mistet støtten i partiet på grunn av statlig nedsalg i Dong Energy, noe Vilhelmsen var for. Samtidig trakk hun partiet ut av regjeringen.[2][3]
Vilhelmsen var nærings- og vekstminister fra 16. oktober 2012 til 9. august 2013.[4] Da tok hun over som sosial-, barne- og integrasjonsminister, en post hun hadde frem til 3. februar 2014.[5]
.jpg)
