Sirimavo non iniziò una carriera politica fino a dopo che suo marito fu ucciso il 26 settembre 1959. Fu nominata successore del marito alla guida del partito. Condusse il partito a vincere le elezioni nel luglio 1960, promettendo di continuare le politiche del marito. Bandaranaike divenne primo ministro il 21 luglio 1960. Fu il primo primo ministro donna al mondo e la prima donna ad essere eletta capo del governo.
Bandaranaike era un socialista. Continuò la politica del marito di nazionalizzare i principali settori dell'economia. Portò anche tutte le scuole che erano di proprietà della Chiesa Cattolica Romana sotto il controllo del governo. La più famosa delle sue prime politiche fu il Sinhala Only Act, anch'esso iniziato dal marito ma mai terminato. Questo includeva un piano per wikt:rimpatriare, mandare i residenti Tamil in India (ottenere la cittadinanza indiana e deportarli). Ha anche reso il Sinhala l'unica lingua ufficiale dello stato eliminando l'inglese. Questo fu visto come discriminatorio e fu l'inizio delle proteste per i diritti umani e della militanza tamil.
L'acquisizione da parte del governo di imprese straniere, in particolare di compagnie petrolifere, fece arrabbiare la Gran Bretagna e gli Stati Uniti, che terminarono entrambi gli aiuti allo Sri Lanka. Come risultato, Bandaranaike stabilì un rapporto più stretto con la Cina e l'Unione Sovietica. Nel 1962, gli ufficiali cristiani dell'esercito fecero un tentativo fallito di colpo di stato. Bandaranaike perse un voto di fiducia nel 1964 e il suo partito fu sconfitto nelle conseguenti elezioni del 1965. Prima che fosse sostituita, il governo di Bandaranaike firmò un accordo con l'India sullo status di circa un milione di Tamil: 600.000 dovevano ricevere la cittadinanza indiana e rimpatriare, e 375.000 dovevano ricevere la cittadinanza dello Sri Lanka.
Bandaranaike divenne di nuovo primo ministro nelle elezioni del 1970. aiuti militari dall'India e dal Pakistan.
Una nuova costituzione fu introdotta nel 1972. La monarchia fu abolita e il regno del Commonwealth conosciuto come Ceylon fu sostituito dalla moderna repubblica dello Sri Lanka. Il presidente dello Sri Lanka sostituì la regina Elisabetta II come capo di stato.
Durante il suo secondo mandato, Bandaranaike divenne sempre più intollerante alle critiche. Ha costretto i media critici a chiudere i battenti. Nazionalizzò anche il più grande giornale del paese, Lake House. Bandaranaike fu scelta come presidente del Movimento dei Non Allineati nel 1976. Nonostante il successo negli affari esteri, stava perdendo il sostegno popolare in Sri Lanka molto rapidamente. Il suo governo fu accusato di corruzione mentre l'economia stava rapidamente declinando. Le elezioni dovevano tenersi nel 1975, ma Bandaranaike usò una clausola della nuova costituzione per ritardarle a tempo indeterminato. Le elezioni si svolsero nel 1977 e il suo partito fu duramente sconfitto. Nel 1980, la Bandaranaike fu accusata di abuso di potere per aver ritardato le elezioni. Fu costretta a lasciare il suo seggio in parlamento e interdetta dai pubblici uffici per sette anni.
Bandaranaike rimase come leader dello SLFP nonostante avesse perso tutte le elezioni generali nei dieci anni successivi. Il suo partito guidò una coalizione (la People's Alliance) per vincere le elezioni generali nel 1994. La figlia di Bandaranaike, Chandrika, divenne primo ministro e fu poi eletta presidente lo stesso anno. Bandaranaike divenne di nuovo primo ministro, ma la costituzione era cambiata dal suo ultimo mandato. Come primo ministro era ora subordinata a sua figlia, il presidente. Rimase in carica fino a pochi mesi prima della sua morte, ma aveva poco potere reale. Si dimise il 10 agosto 2000. Esattamente due mesi dopo morì, a 84 anni, per un attacco di cuore.
