לאחר בחירות 1999 כיהנה תמיר כשרה לקליטת העלייה בממשלת ישראל העשרים ושמונה, כמינוי אישי של ראש הממשלה אהוד ברק. כהונתה נמשכה כשנה וחצי עד פירוק הממשלה.
תמיר נבחרה לכנסת ה-16 בשנת 2003, והייתה חברה בוועדת הכספים, בוועדת חוקה, חוק ומשפט, בוועדת החינוך, התרבות והספורט, בוועדה לפניות הציבור ובוועדת חקירה פרלמנטרית בנושא גילוי השחיתות בממשל במדינת ישראל. כחברת כנסת הובילה תמיר יחד עם אתי לבני את הצעת החוק ל"ייצוג נשי הולם בעיצוב מדיניות לאומית", שהפכה לתיקון מס' 4 בחוק שיווי זכויות האישה.
בבחירות לקביעת יו"ר מפלגת העבודה ומועמדה לראשות הממשלה, תמיר תמכה בח"כ עמיר פרץ. עם בחירתו של פרץ ליו"ר העבודה ולאחר פרישת דליה איציק, הפכה תמיר לאישה הבכירה במפלגת העבודה. במערכת הבחירות לכנסת ה-17 הייתה יו"ר מטה ההסברה של מפלגת העבודה ואחראית על מצע המפלגה בנושאי חינוך. לאחר בחירות 2006 מונתה תמיר לשרת החינוך בממשלת אהוד אולמרט. תמיר הנהיגה רפורמה בחינוך בשם "אופק חדש". במרץ 2008 נתחם הסכם בין הסתדרות המורים והממשלה על התחלת התכנית.
בפריימריז שנערכו בדצמבר 2008 נבחרה תמיר במקום העשירי ברשימת העבודה לכנסת ה-18.