En esa etapa, de 2004 a 2010 presidió el mayor grupo industrial italiano, Fiat S.p.A.. Di Montezemolo fundó el think tank Italia Futura en 2009, que luego se convirtió en la agrupación política Hacia la Tercera República.

El grupo se incorporó a Elección Cívica, un partido liderado por Mario Monti.

Para completar su carrera académica pasó a formar parte del gigante industrial italiano Fiat Group, que tiene su sede en Turín, Italia.

En 2004, con la muerte Umberto Agnelli, Luca Cordero di Montezemolo fue elegido para que lo sustituyese en sus funciones como presidente de Confindustria y de Fiat Group, cargos que abandonaría en 2008 y 2010 respectivamente.

En septiembre de 2014 se anunció su salida del grupo Ferrari como presidente, la cual tendría lugar un mes después.