Abdul Rahman meletak jawatan pada tahun 1970 dan telah digantikan oleh Abdul Razak Hussein. Razak menggalakkan Mahathir kembali ke parti itu, lalu beliau dilantik sebagai Senator pada tahun 1973.[29] Beliau bangkit dengan cepat dalam kerajaan Razak, kembali kepada Majlis Tertinggi UMNO pada 1973 dan dilantik ke Kabinet pada tahun 1974 sebagai Menteri Pendidikan. Beliau juga kembali ke Dewan Rakyat, memenangi kerusi yang berpangkalan di Kedah Kubang Pasu tanpa bertanding dalam pilihan raya 1974.[26] Salah satu tindakan pertama beliau sebagai Menteri Pendidikan adalah untuk memperkenalkan kawalan kerajaan lebih besar ke atas universiti Malaysia, walaupun pembangkang yang kuat dari komuniti akademik.[30] Beliau juga bergerak untuk menghadkan politik di kampus universiti, memberi kementeriannya kuasa untuk mendisiplinkan pelajar dan ahli akademik yang aktif dari segi politik, dan membuat biasiswa untuk pelajar tertakluk kepada mengelakkan politik.[31]

Pada tahun 1975, Mahathir mencalonkan diri untuk salah satu daripada tiga naib presiden UMNO. Pertandingan tersebut telah dianggap sebagai pertempuran untuk penggantian kepimpinan parti itu, dengan Razak dan timbalannya, Hussein Onn, dalam keadaan kesihatan yang merosot. Setiap calon pilihan Razak telah dilantik: bekas Ketua Menteri Melaka, Abdul Ghafar Baba; Tengku Razaleigh Hamzah, seorang ahli perniagaan kaya dan ahli keluarga diraja Kelantan; dan Mahathir. Apabila Razak meninggal dunia pada tahun berikutnya, Hussein sebagai penggantinya terpaksa memilih antara tiga lelaki untuk menjadi Timbalan Perdana Menteri; beliau juga menganggap menteri bercita-cita tinggi Ghazali Shafie. Setiap satu daripada pesaing Mahathir mempunyai tanggungan politik yang penting: Ghazali, yang mempunyai telah dikalahkan oleh orang lain untuk jawatan naib presiden, tidak mempunyai sokongan ahli UMNO; Ghafar tidak mempunyai pendidikan yang lebih tinggi dan tidak fasih dalam Bahasa Inggeris; dan Razaleigh masih muda, tidak berpengalaman dan, kritikal, yang belum berkahwin. Tetapi keputusan Hussein tidak mudah. Hussein dan Mahathir tidak sekutu rapat dan Hussein tahu pilihan Mahathir akan tidak menyenangkan Abdul Rahman, masih hidup dan dihormati sebagai bapa kemerdekaan Malaysia. Selepas enam minggu kebimbangan Mahathir, banyak untuk mengejutkan beliau, dilantik sebagai timbalan Hussein. Pelantikan itu bermakna bahawa Mahathir adalah pengganti diurapi untuk jawatan perdana menteri.[32][33]

Mahathir dianggap sebagai menjadi Menteri Pendidikan paling berjaya dan kemudian Menteri Perdagangan dan Industri (1978-1981).[34] Dalam jawatan yang kedua, beliau telah melaksanakan "dasar industri berat", mewujudkan HICOM, sebuah syarikat yang dikawal oleh kerajaan, untuk melabur dalam pembangunan jangka panjang sektor pembuatan seperti industri kereta asli.[35] Beliau menghabiskan banyak masa dengan Kementerian mempromosikan Malaysia melalui lawatan ke luar negara.[31]

Walau bagaimanapun, Mahathir bukanlah timbalan perdana menteri berpengaruh. Hussein ialah seorang pemimpin berhati-hati yang menolak banyak cadangan dasar berani Mahathir. Walaupun hubungan antara Hussein dan Mahathir jauh, Ghazali dan Razaleigh menjadi penasihat terdekat Hussein, sering memintas Mahathir lebih kanan semasa mengakses Hussein. Namun begitu, apabila Hussein kalah kerana keuzuran pada tahun 1981, Mahathir menggantikan beliau menang tanpa bertanding dan dengan berkatnya.[36][34]