李應元首次入閣 並和蔡英文成為深交摯友
李應元先被外放到美國，任駐美副代表，堪稱根正苗「綠」駐美第1人，李應元雖有堅定台獨意識，但身段柔軟，不只讓期待新局的台僑有感，也能悠遊於藍色是王道的外交圈，而在陳水扁啟用游錫堃組閣後，游錫堃也憶起其任民進黨秘書長時，李應元在雲林補選輔選的能耐，請李應元返台任行政院秘書長，李應元也因此首次進入內閣，並和時任陸委會主委的蔡英文結識，更成為深交摯友，蔡英文在2004年陳水扁連任總統後，堅持要暫離公職，李應元還試圖替陳水扁出面勸蔡英文留下。
陳水扁想拉拔李應元，還在修改民進黨章，建立黨政同步，總統兼任民進黨主席機制後，推李應代表民進黨參選2002年台北市長，陳水扁還責成子弟兵羅文嘉、高志鵬操盤，挑戰時任台北市長的藍營未來夢幻新星馬英九，李應元當然難敵馬英九，未如民進黨內原先期盼，在面對因納莉風災慘重災情時被綠營譏為「軟腳馬」的馬英九，能拿下佳績，但至少開出基本盤，蔡英文更在李應元參選時，獻出站台處女秀。
2004李應元助陳水扁連任 立下重要戰功
選戰結束，陳水扁讓李應元到民進黨中央任副秘書長，備戰2004連任，李應元也等待再出發時機。李應元雖在2002年參選北市長時選得並不漂亮，但於2004年藍綠廝殺慘烈的台灣第3次總統大選，卻在助陳水扁連任上立下重要戰功。
陳水扁欲拚連任總統，一開始有媒體民調落後超過30%，連民進黨內鮮有人看好能打敗藍營的連宋合，但陳水扁以超強意志，強打公投，導大選議題，逐漸扳回劣勢，而李應元在「相信台灣」主軸、「首次公投」的戰術下，力排總部雜音眾議，憑超強柔軟身段穿梭各系統，在2004年2月28日，辦成超過200萬人參與的「手牽手護台灣」超級造勢，在台灣選舉史上堪稱空前，該活動高潮在扁李同台，泛綠陣營大團結，陳水扁營氣勢衝到最高，讓外界在選戰最後段確信陳水扁有過關的可能，當然是助陳水扁最後驚險連任的重要關鍵。
陳水扁2004驚險連任，李應元是重要功臣，但因陳水扁連任續任閣揆，後來打出「正常國家」，意識型態理應和李應元較契合的游錫堃，卻僅給李僑委會，或當時還在倡議的海洋部等邊緣部會，讓曾任游錫堃內閣政院秘書長的李應元頗感慨，當然也推拒幾個游錫堃開出的職務，這也是李應元後來倒向謝長廷的重要因子。2004年底，民進黨立委選舉未如預料過半，謝長廷北上替換游錫堃組閣，有志參選台北縣長的李應元成為其政院秘書長，但陳水扁和當時民進黨主席蘇貞昌屬意羅文嘉參選，李應元遂一直留在謝內閣，泰勞暴動案後更轉任陳菊堅辭下，遺下的勞委會主委職務。
