Sirimavo se začala věnovat politice až poté, co byl její manžel 26. září 1959 zastřelen. Byla jmenována nástupkyní svého manžela ve vedení strany. Vedla tuto stranu k vítězství ve volbách v červenci 1960 a slíbila, že bude pokračovat v politice svého manžela. Bandaranaike se 21. července 1960 stala předsedkyní vlády. Byla první ženou v čele vlády na světě a první ženou, která byla zvolena do čela vlády.
Bandaranaike byl socialista. Pokračovala v politice svého manžela, který znárodňoval hlavní odvětví ekonomiky. Pod kontrolu vlády převedla také všechny školy, které vlastnila římskokatolická církev. Nejznámější z jejích raných politik byl zákon Sinhala Only Act, který rovněž začal její manžel, ale nikdy nebyl dokončen. Jeho součástí byl plán wikt:repatriace, posílání tamilských obyvatel do Indie (získat pro ně indické občanství a deportovat je). Rovněž učinil sinhálštinu jediným úředním jazykem státu tím, že z něj odstranil angličtinu. To bylo považováno za diskriminační a byl to začátek protestů za lidská práva a tamilských bojůvek.
Převzetí zahraničních podniků, zejména ropných společností, vládou rozzlobilo Velkou Británii a Spojené státy, které ukončily pomoc Srí Lance. V důsledku toho Bandaranaike navázal užší vztahy s Čínou a Sovětským svazem. V roce 1962 se křesťanští důstojníci armády neúspěšně pokusili o státní převrat. V roce 1964 Bandaranaike prohrála hlasování o důvěře a její strana byla v následných volbách v roce 1965 poražena. Než byla Bandaranaikeová nahrazena, podepsala její vláda dohodu s Indií o postavení přibližně milionu Tamilů: 600 000 z nich mělo získat indické občanství a být repatriováno a 375 000 mělo získat srílanské občanství.
Bandaranaike se ve volbách v roce 1970 stal znovu premiérem. vojenskou pomoc od Indie a Pákistánu.
V roce 1972 byla zavedena nová ústava. Byla zrušena monarchie a království Společenství národů známé jako Cejlon bylo nahrazeno moderní Srílanskou republikou. Srílanský prezident nahradil královnu Alžbětu II. ve funkci hlavy státu.
Během svého druhého funkčního období byla Bandaranaike stále více nesnášenlivá ke kritice. Přinutila kritické sdělovací prostředky, aby ukončily činnost. Znárodnila také největší noviny v zemi, Lake House. V roce 1976 byla Bandaranaike zvolena předsedkyní Hnutí nezúčastněných zemí. Navzdory úspěchům v zahraničních záležitostech ztrácela na Srí Lance velmi rychle podporu obyvatelstva. Její vláda byla obviňována z korupce, zatímco ekonomika rychle upadala. Volby se měly konat v roce 1975, ale Bandaranaike využila ustanovení nové ústavy a odložila je na neurčito. Volby se konaly v roce 1977 a její strana v nich utrpěla těžkou porážku. V roce 1980 byla Bandaranaike obviněna ze zneužití moci kvůli odložení voleb. Byla donucena opustit poslanecký mandát a na sedm let jí byl zakázán výkon veřejných funkcí.
Bandaranaike zůstal v čele SLFP, přestože v následujících deseti letech prohrál všechny parlamentní volby. Její strana vedla koalici (Lidová aliance), která zvítězila ve všeobecných volbách v roce 1994. Premiérkou se stala Bandaranaikeho dcera Čandrika, která byla v témže roce zvolena prezidentkou. Bandaranaike se opět stala premiérkou, ale od jejího posledního funkčního období se změnila ústava. Jako premiérka byla nyní podřízena své dceři, prezidentce. Ve funkci zůstala až do několika měsíců před svou smrtí, ale měla jen malou skutečnou moc. Na svou funkci rezignovala 10. srpna 2000. Přesně o dva měsíce později zemřela ve věku 84 let na infarkt.
