15 февраля 2007 года Сердюков по рекомендации своего тестя Первого Вице-Премьера РФ Виктора Зубкова был назначен президентом РФ Владимиром Путиным министром обороны Российской Федерации. На этом посту он сменил Сергея Иванова. Бывший глава оборонного ведомства, ранее совмещавший эту должность с постом вице-премьера, в тот же день был повышен в ранге до первого заместителя председателя правительства РФ.

Также в феврале 2007 года (за неделю до своего назначения главой МО) Сердюков вошел в новый состав совета директоров ОАО "Химпром", а в марте того же года возглавил его, став председателем совета директоров волгоградского предприятия.

12 апреля 2007 года Сердюков был включен в состав Совета безопасности России.