Após seu período na secretaria, foi embaixador do Brasil na Argentina de 2004 a 2010.[5] Durante esse período, foi promovido em 2005 pelo presidente Luiz Inácio Lula da Silva ao grau de Grande-Oficial da Ordem do Mérito Militar.[1] Após sua exoneração, foi nomeado embaixador do Brasil nos Estados Unidos de 2010 a 2015.[6]
De 2015 a 2016, foi ministro das Relações Exteriores, indicado pela presidente Dilma Rousseff.[7] Em 16 de agosto de 2016, o Senado Federal aprovou sua nomeação pelo presidente Michel Temer para o cargo de representante permanente do Brasil na Organização das Nações Unidas (ONU).
Também no Itamaraty, Vieira ocupou cargos de destaque no ministério: foi coordenador de Atos Internacionais; assessor do Secretário-Geral do ministério; assistente do chefe do Departamento Cultural; assessor de ministro das Relações Exteriores; chefe de Gabinete do secretário-geral; e chefe de Gabinete do ministro das Relações Exteriores.[12]
Em 31 de dezembro de 2014 foi indicado Ministro das Relações Exteriores do segundo gabinete de Dilma Rousseff.[13] Tomou posse no dia seguinte, juntamente com seus demais colegas ministros, dia 1 de janeiro de 2015. Exerceu as funções de Chanceler e, em 11 de maio de 2016, foi exonerado do cargo por Dilma Rousseff quando ela foi afastada do governo após um processo de impeachment, onde assumiu como presidente interino o vice-presidente Michel Temer. Retornou às funções de Embaixador atuando como Embaixador do Brasil na Organização das Nações Unidas (2016-2020). Foi designado por Jair Bolsonaro para o cargo de embaixador do Brasil em Zagreb.
Em 9 de dezembro de 2022, foi anunciado como Ministro das Relações Exteriores do terceiro governo Lula.[14]
"Presidente também me instruiu que restabelecesse relações com a Venezuela. Faremos a partir do dia 1º, enviando num primeiro momento um encarregado de negócios para retomar prédios que temos lá, residências e reabrir a embaixada. E, posteriormente, vamos indicar um embaixador também para junto ao governo Venezuelano", afirmou Vieira.
O futuro chanceler disse que Lula pediu para ele trazer o Brasil de volta à cena internacional. "Ele [Lula] disse que o Brasil esteve ausente durante muito tempo e que a política que deveria ser implementada durante o governo dele deveria ser uma política de reconstruir pontes", explicou.[15]
Assumiu oficialmente a pasta, em 02 de janeiro de 2023, durante cerimônia realizada no Palácio Itamaraty. [16]Em seu discurso, o ministro defendeu que o país esteve distante da comunidade internacional nos últimos anos, em razão de uma "visão ideológica limitante" do governo anterior.
"Estivemos alijados do cenário internacional nos últimos anos por força de uma visão ideológica limitante. Com bom senso e muito trabalho e dedicação, reconquistaremos nosso lugar", afirmou.
"A principal tarefa da política externa diante desse quadro será de fato reinserir o Brasil em sua região e no mundo, como corresponde aos nossos valores e interesses. Isso vai requerer uso intenso de nossas capacidades diplomáticas e forte retomada da diplomacia presidencial", completou o ministro.[17]
Com o impeachment aceito pelo Senado Federal, foi afastada temporariamente, sendo afastada definitivamente em 31 de agosto de 2016 com a conclusão do processo.