Dagmar Roth-Behrendt wurde 1989 erstmalig für Berlin ins Europäische Parlament gewählt. Von 1989 bis 2004 war sie Sprecherin der sozialdemokratischen Fraktion für die Bereiche Umwelt-, Verbraucher- und Gesundheitspolitik. Von Juli 2004 bis Anfang 2007 war sie Vizepräsidentin des Europäischen Parlaments und in dieser Funktion für die Leitung der Vermittlungsverfahren zwischen Ministerrat und Parlament sowie die Personalangelegenheiten des Parlaments zuständig.

Sie ist Mitglied im Ausschuss für Umweltfragen, Volksgesundheit und Lebensmittelsicherheit. Zugleich ist sie stellvertretendes Mitglied im Ausschuss für Binnenmarkt und Verbraucherschutz sowie im Rechtsausschuss. 1997 wurde sie – auf dem Höhepunkt der BSE-Krise – Vorsitzende des nichtständigen Ausschusses für die Weiterbehandlung der Empfehlungen für BSE.

Seit 2006 ist sie Vertreterin des Europäischen Parlaments im hochrangigen Pharmazeutischen Forum und Vorsitzende der Mirror-Group der Partnerschaft für Alternative Testmethoden zu Tierversuchen (EPAA), die von der Europäischen Kommission und den Unternehmen aus dem Bereich der kosmetischen Industrie ins Leben gerufen wurde. Von 2007 bis 2009 leitete sie die Arbeitsgruppe Parlamentsreform der Konferenz der Fraktionsvorsitzenden. Darüber hinaus ist sie in den parlamentarischen „Intergroups“ Tierschutz sowie Verbraucherschutz und bei der Global Legislators Organisation For A Balanced Environment tätig.