I januar 2009 nominerede den nyvalgte præsident Barack Obama Panetta til posten som CIA-direktør. Panetta blev bekræftet af det fulde senat i februar 2009. Som direktør for CIA overvågede Panetta operationen, der bragte den internationale terrorist Osama bin Laden ned. Den 28. april 2011 annoncerede Obama nomineringen af Panetta som forsvarsminister, for at erstatte den pensionerede Robert Gates. I juni bekræftede senatet Panetta enstemmigt, og han overtog embedet den 1. juli 2011. David Petraeus overtog som direktør for Central Intelligence Agency den 6. september 2011. Siden han trak sig tilbage som forsvarsminister i 2013, har Panetta fungeret som formand for The Panetta Institute for Public Policy, der ligger på California State University, Monterey Bay, en campus i California State University, som han hjalp med at etablere under sin tid som kongresmedlem.
Januar 2009