En 1998 se presentó a las primarias convocadas en el PSE para elegir candidato a lehendakari, ganadas por Nicolás Redondo Terreros, y en el Congreso del PSOE del año 2000 compitió por la Secretaría General del Partido Socialista Obrero Español, que ganó José Luis Rodríguez Zapatero. Fue distanciándose de la línea política del PSOE a causa de la ruptura del Pacto sobre el modelo del Estado, los pactos con los partidos nacionalistas sobre cuestiones de Estado, la ruptura del Pacto Antiterrorista y la negociación política con ETA, y el abandono paulatino de los principios constitucionales. Cuando llegó a la conclusión de que no podía seguir defendiendo sus convicciones dentro del partido socialista, abandonó su escaño en el Parlamento Europeo y se dio de baja como afiliada.

En las elecciones generales del 2008 fue elegida para formar parte del Congreso de los Diputados por Madrid en la lista de UPyD que encabezaba, representación que sigue desempeñando en la actualidad con una intensa actividad parlamentaria. Ha sido Portavoz de UPyD desde la fundación del partido en septiembre de 2007, presidiendo el Consejo de Dirección.

Además de la actividad política, ha desempeñado un intenso activismo cívico en los colectivos constitucionalistas nacidos en el País Vasco para combatir a ETA, apoyar a las víctimas del terrorismo y oponerse al nacionalismo obligatorio, particularmente en Iniciativa Ciudadana Basta Ya, de la que fue una de las fundadoras y que el año 2001 recibió del Parlamento Europeo el Premio Sájarov a la Libertad de Conciencia, otorgado por unanimidad de los grupos parlamentarios en la única ocasión en que se ha premiado a un colectivo de la Unión Europea.

Como escritora, ha publicado numerosos artículos en diarios y periódicos vascos y nacionales, y los libros Porque tengo hijos (Adhara, 2006), Merece la pena (Planeta, 2008) y Es lo que hay (Debate, 2011). Desde 2006 mantiene un blog personal, primero en la web de Basta Ya y en la actualidad en la de UPyD.

Rosa Díez es la única líder política que actualiza diariamente su perfil del facebook de una manera personal y persuasiva.