قالیباف در سال ۱۳۸۴ در انتخابات ریاست جمهوری شرکت کرد و از فرماندهی نیروی انتظامی استعفا داد. رهبر معظم انقلاب نیز در نامه ای ضمن ابراز رضایت از فعالیت های او در ناجا با استعفای او موافقت کردند. قالیباف در اولین تجربه انتخاباتی خود بیش از 4 میلیون رای کسب کرد و سوم شد. در نهایت در سال ٨٤ به عنوان شهردار پایتخت انتخاب شد و حکم خود را از دست مسئول دفتر مقام معظم رهبری دریافت کرد. اجرای طرح تفضیلی شهر تهران، راه‌اندازی مرکز فعالیت‌های دینی شهرداری، راه اندازی خطوط اتوبوس های تندرو، توسعه مترو، ساخت ٤ تونل بزرگ شهری، ساخت پل طبقاتی صدر، راه اندازی سامانه ١٣٧ و ١٨٨٨ و...از مهم ترین اقدامات قالیباف در شهرداری تهران بوده است.
طرح تفصیلی و پایان رانت اطلاعاتی
تا همین چند سال قبل، ساخت و ساز در پایتخت اصول و قاعده مدون، جامع و به روز شده‌ای نداشت. اما امروز تهران دارای سند کلان تفصیلی است. دکتر قالیباف، پایتخت را بر مبنای یک سند چشم انداز ۲۰ ساله و برنامه‌های توسعه 5 ساله اداره کرده است و امروز با مراجعه به طرح تفصیلی، همه مردم به یک اندازه می‌توانند درباره آینده تهران اطلاعات داشته باشند.
تقویت زیرساخت‌های مذهبی
شهرداری در دوره مدیریت دکتر قالیباف تمام تلاش را در راستای ارتقای معنویت، اخلاق، آموزه‌های دینی و ارزشهای اخلاقی و در یک کلام تحقق حیات طیبه در پایتخت بکار برده است. راه‌اندازی مرکز فعالیت‌های دینی شهرداری با همین هدف انجام شد. ساخت یا کمک به احداث حدود ۲۰۰۰ مسجد؛ تجهیز و تعمیر حدود ۱۰۰۰ مسجد، احداث ۳۱۶ نمازخانه در بوستان‌ها از جمله این اقدامات است.
توسعه حمل‌ونقل عمومی
یکی از دغدغه‌های همیشگی قالیباف دسترسی راحت و آسان شهروندان به وسایل حمل‌ونقل عمومی بوده است. طراحی ۱۰ خط سامانه اتوبوس‌های تندرو و راه‌اندازی این خطوط که با استقبال مردم مواجه شد و همچنین توسعه چشمگیر مترو به واسطه همین دغدغه بوده است. تهران تا پایان سال 83 دارای ۷۹ کیلومتر خط مترو و ۳۶ ایستگاه بود که این میزان تا پایان سال ۹۰، ۴۰ درصد افزایش پیدا کرد و به ۱۳۵ کیلومتر با ۸۴ ایستگاه رسید.
جهانی شدن تهران
دکتر قالیباف در سال ۱۳۸۷ برابر با سال ۲۰۰۸ میلادی از طرف سایت شهرداری‌های جهان به عنوان هشتمین شهردار برتر دنیا معرفی شد. در سال ۲۰۱۰ موسسه سیاست‌های حمل و نقل و توسعه، تهران را برای اولین بار به عنوان یکی از پنج شهر برتر دنیا انتخاب کرد. همچنین در سال ۲۰۱۱ میلادی در دهمین اجلاس متروپلیس، تهران به عنوان شهر برتر جهان در زمینه ارتقای کیفیت زندگی شهروندان مورد تقدیر قرار گرفت.
احداث تونل‌های شهری بی‌نظیر
چهار تونل بزرگ شهری به نام‌های رسالت، توحید، نیایش و امیرکبیر در دوره مدیریت دکتر قالیباف به شهروندان پایتخت هدیه داده شد. تونل‌هایی که هر یک در زمان خود در خصوص بزرگی پروژه و سرعت اجرا، موفق به ثبت یک رکورد جهانی شدند. در حال حاضر تونل نیایش، دومین تونل شهری طویل جهان و اولین در خاورمیانه به حساب می‌آید که فقط در مدت ۲۳ ماه توسط متخصصان و مهندسان ایرانی ساخته شده است.
توسعه شبکه بزرگراهی
تاکنون ۴۷۵کیلومتر بزرگراه در تهران ساخته شده که بیش از ۳۰ درصد آن، یعنی بیشتر از ۱۵۰ کیلومتر در دوره مدیریت قالیباف به بهره‌برداری رسیده و رینگ بزرگراهی پایتخت تکمیل شده است. حجم عظیمی از ساخت بزرگراه همت در دوران مدیریت دکتر قالیباف به سرانجام رسید. تکمیل محور اصلی بزرگراه شهید باکری، امام علی(ع) و اتوبان طبقاتی صدر هم از جمله مهم‌ترین دستاوردهای همین دوره است.
محله محوری
تقسیم تهران به ۳۸۰ محله، واگذاری اختیارات بیشتر در زمینه‌های عمرانی، فرهنگی، خدماتی، اجتماعی به ۱۲۲ ناحیه شهرداری، بهره‌گیری از توان و ظرفیت شورایاری‌ها، داشتن رویکرد محله‌محوری در حوزه اجرایی، تنظیم برنامه‌های سالانه با رویکرد محله‌محوری و استفاده از نظرات شورایاری‌ها همگی در راستای باور عمیق دکتر قالیباف به ضرورت بهره‌گیری از مشارکت مردم در اداره جامعه بوده است.
راه اندازی ۱۳۷ و ۱۸۸۸
راه‌اندازی سامانه ۱۳۷ و ۱۸۸۸ نشان‌دهنده مدیریت پاسخگو و مسئولیت‌پذیر دکتر قالیباف در شهرداری بوده است. سامانه ۱۳۷ طی این سال‌ها بیش از ۱۵ میلیون ارتباط را برقرار کرده که رضایت ۸۰ درصدی شهروندان تهرانی را هم به دنبال داشته است. همچنین استقرار مرکز نظارت همگانی شهرداری و دریافت بیش از ۳ میلیون تماس تلفنی در دوره 5 ساله در جهت مسئولیت‌پذیری و پاسخگویی به شهروندان بوده است.