Надежда Нейнски започва политическата си кариера във възстановената в края на 1989 г. Радикалдемократическа партия, част от коалицията Съюз на демократичните сили (СДС).

В предизборната кампания през 1991 ръководи пресцентъра на СДС, а след изборите става началник на пресцентъра и говорител на правителството на Филип Димитров.

През 1994 е избрана за депутат в 37-то Народно събрание (1994-1997). През април 1995 г. става заместник-председател на СДС. Избрана е за народен представител в 38-то Народно събрание през 1997 г., но става министър на външните работи (1997-2001) в правителството на Иван Костов.

От 1999 г. до 2006 г. е вицепрезидент на Европейската народна партия (ЕНП) и Съпредседател на Комисията по международни отношения към ЕНП.

През 2001 г. е избрана за народен представител в 39-то Народно събрание, където е председател на парламентарната група на Обединените демократични сили (ОДС), а след разпадането на коалицията през 2004 г. - на групата на СДС. Избрана е за председател на СДС на 11 март 2002 г. От 2005 г. е депутат в 40-то Народно събрание.

През 2004 г. Надежда Михайлова става председател на УС на Института за демокрация и стабилност в Югоизточна Европа. От 2006 г. е член на международния консултативен съвет към Democracy Coalition Project и член на консултативната група за Кръгла маса на лидерите на южните държави към Съвета за южно сътрудничество.

От 2007 г. е председател на УС на Съюза на малките и средни предприятия в България (СМСП). През 2007 г. е избрана за вицепрезидент на Съюза на малките и средни предприятия към Европейската народна партия.

Депутат в 40-то Народно събрание от парламентарна група на ОДС.

Член на комисията по външна политика и на комисията по европейските въпроси. Зам.-председател на НС от 23.07.2008. Избрана за евродепутат от листата на Синята коалиция на Евроизбори през юни 2009г. През юли 2009г. Надежда Михайлова е избрана за първи вице-президент на Съюза за малки и средни предприятия /СМСП/ към ЕНП. Член на Бюджетната комисия в ЕП.