Vom 17. Dezember 1958 bis zum 30. November 1966 war er Ministerpräsident von Baden-Württemberg als Nachfolger von Gebhard Müller, der als Präsident an das Bundesverfassungsgericht nach Karlsruhe ging. In jener Zeit gehörte Kiesinger auch als Abgeordneter dem Landtag von Baden-Württemberg (1960–1966) an. Als Universitätsgründer (Konstanz, Ulm) ging Kiesinger in die Landesgeschichte ein.

Schon als in den Jahren 1950/1951 um die Gründung des Südweststaates gekämpft wurde, war Kiesinger ein entschiedener und entscheidender Vorkämpfer des neuen Landes, das aus drei Nachkriegsländern im deutschen Südwesten gebildet wurde. Trotzdem wurde es allgemein als überraschend empfunden, dass Kiesinger 1958 die Bundespolitik verließ. Ein wichtiger Grund für seinen Wechsel war, dass er nach der Bundestagswahl 1957 in Bonn keinen Ministerposten bekam und er damit in seinem Amt als Ministerpräsident eine Möglichkeit sah, seine Fähigkeiten auf höherer Ebene als der eines Bundestagsabgeordneten unter Beweis zu stellen.

In der Anfangszeit der Bundesrepublik waren auf Länderebene übergroße Koalitionen nicht unüblich, und so führte Kiesinger bis 1960 eine Koalition aus CDU, SPD, FDP/DVP und BHE an, von 1960 bis 1966 dann aber eine CDU-FDP-Koalition, mit der SPD und dem BHE in der Opposition. Als Ministerpräsident war er vom 1. November 1962 bis zum 31. Oktober 1963 Bundesratspräsident. Nach Kiesingers Wahl zum Bundeskanzler 1966 wurde der bisherige Innenminister Hans Filbinger neuer Regierungschef in Stuttgart.