Pada 3 November 2006, Tuanku Mizan telah dipilih untuk menduduki takhta Yang di-Pertuan Agong oleh Majlis Raja-Raja Melayu sebagai Seri Paduka Baginda Yang di-Pertuan Agong Malaysia ke-13 selama 5 tahun, bermula 13 Disember 2006 dan berakhir pada 13 Disember 2011. Persidangan Majlis Raja-Raja Melayu pada ketika itu dipengerusikan oleh Sultan Abdul Halim, Sultan Kedah yang juga merangkap sebagai Timbalan Yang di-Pertuan Agong. Tuanku Mizan sebenarnya telah diletakkan sebagai orang keempat dalam Kitaran Sembilan Raja-Raja Melayu yang ke-2 yang secara lazimnya pemilihan Yang di-Pertuan Agong adalah mengikut hukum kitaran ini. Namun, pemilihan Raja-Raja lain dalam negeri-negeri Melayu untuk menjawat jawatan tertinggi di Malaysia Yang di-Pertuan Agong masih boleh diperbincangkan. Mengikut hukum kitaran, setiap Raja-Raja Melayu yang dilantik sebagai Yang di-Pertuan Agong hanya boleh memerintah Malaysia selama 5 tahun, dan inilah membuatkan Malaysia sebagai sebuah negara mengamalkan konsep Raja Berpelembagaan yang unik.

Pada 26 April 2007, Tuanku Mizan secara rasminya ditabalkan sebagai Yang di-Pertuan Agong.[1][2]

Tuanku Mizan, yang berusia 44 tahun ketika ditabalkan, ialah Yang di-Pertuan Agong yang ketiga termuda yang dilantik selepas Tuanku Syed Putra, Raja Perlis dan Tuanku Abdul Halim sebagai Sultan Kedah yang kedua-duanya mula dilantik sebagai Yang di-Pertuan Agong pada umur 40 dan 43. Tuanku Mizan ialah Raja Melayu pertama yang dilahirkan selepas Hari Kemerdekaan Malaysia yang jatuh pada 31 Ogos 1957.

Sebagai Ketua Negara Malaysia, Tuanku Mizan banyak mengadakan majlis rasmi dan lawatan kerja. Antaranya, baginda telah bersemuka dengan Presiden China, Hu Jintao[3] ketika Sukan Olimpik 2008[4], mengadakan lawatan ke Pusat Kajian Saintifik Antartika [5] dan menghadiri Perkahwinan Diraja Putera William dan Kate Middleton di London, England.[6]

Pada 12 dan 13 Oktober 2011, Mesyuarat Majlis Raja-Raja yang ke-225 telah memutuskan bahawa Sultan Kedah, Sultan Abdul Halim Mu’adzam Shah ibni Almarhum Sultan Badlishah bakal menggantikan Tuanku Mizan sebagai Yang di-Pertuan Agong yang ke-14 mulai 13 Disember 2011.[7]

Demi meraikan berakhirnya pemerintahan baginda, Tuanku Tuanku Mizan Zainal Abidin bersama Tuanku Nur Zahirah berkenan untuk berangkat menghadiri majlis santapan menjunjung kasih sempena tamat tempoh pemerintahan Seri Paduka sebagai Yang di-Pertuan Agong ke-13, di Istana Negara pada 10 Disember 2011. Keberangkatan tiba Seri Paduka berdua disambut Perdana Menteri Malaysia Datuk Seri Mohd Najib bin Tun Abdul Razak, Timbalan Perdana Menteri Malaysia, Tan Sri Muhyiddin Yassin dan Datuk Seri Dr Rais Yatim selaku Menteri Penerangan Komunikasi dan Kebudayaan Malaysia dan juga Pengerusi Jawatankuasa Induk Acara Tamat Tempoh Pemerintahan Seri Paduka Baginda Yang di-Pertuan Agong ke-13 bersama isteri masing-masing. Turut hadir bersama bekas Perdana Menteri Tun Dr Mahathir Mohamad yang diiringi isteri, Tun Dr Siti Hasmah Mohd Ali, dan Tun Abdullah Ahmad Badawi serta isteri Tun Jeanne Abdullah[8].

Istiadat Keberangkatan Balik Tuanku Mizan dari Istana Negara, Jalan Duta, Kuala Lumpur ke Istana Maziah, Kuala Terengganu juga disiarkan secara lintas langsung di RTM 1 pada 12 Disember 2011.