1975年1月，第四屆全國人大在北京召開，周恩來繼續擔任國務院總理，還任命了12位副總理，有3人非常引人注目，他們是陳永貴、吳桂賢與孫健，這三人都是來自工農階層的優秀代表，而且，吳桂賢與孫健都非常年輕，吳桂賢37歲，孫健39歲。
由此，吳桂賢成為當選時最年輕的副總理，也是新中國首位女性副總理。
其實，那個年代，有很多像吳桂賢這樣被火箭提拔上來的工農幹部，他們大多是勞動模範，當然有些造反起家的工人，比如說王洪文。
與王洪文不同，吳桂賢是實打實的干出來的優秀工人代表，她原先是西北國棉一廠的女工，在毛主席思想的教育和培養下，吳桂賢迅速成長起來，成為西北國棉一廠的佼佼者，曾擔任「趙夢桃小組」的組長。
1963年，吳桂賢當選為陝西省人大代表，並成為全國紡織系統先進典型，第二年，吳桂賢作為紡織工人的優秀代表參加了國慶觀禮，第一次見到毛主席的吳桂賢非常激動，後來吳桂賢回憶道：
「我激動得流淚了，手中拿着語錄本高喊『毛主席萬歲！』」
此時的吳桂賢才不過26歲，她怎麼也會不想到，十年後，她竟然成為中央政治局的一員。
十年運動開始後，中央對工廠的指示是「抓革命，促生產」，搞革命要在8個小時之外搞，不要在生產中搞革命，但許多人被沖昏了頭腦，一頭扎進革命的漩渦中，吳桂賢說：
「造反也不能停產啊。我們都造反了，你們穿什麼衣服啊，光屁股去造反嗎？」
雖然吳桂賢在1969年和1973年連續當選為中央委員，在地方也擔任陝西省委副書記、西北國棉一廠黨委副書記等職務，但距離進入政治局還是相差很遠的。
為何她會幸運地進入政治局呢？
據說在1974年政治局的一次會議上，江青提出要增加政治局的女同志，並推薦了上海造反派中的一個女性「頭頭」，周總理則針鋒相對，要在西北工人勞模中推薦一位優秀代表，吳桂賢幸運地被選中，她的檔案連夜被調到中央。
1974年8月18日，吳桂賢進京開會，會議結束時，毛主席批示：「陳永貴、吳桂賢兩同志留下參與政治局工作。」
在政治局待了一段時間後，吳桂賢感到非常拘束，而且政治局的氣氛也非常微妙，對此，吳桂賢說：
「江青和鄧小平一開會就爭論，毛主席說他們是針尖對麥芒。我瞅瞅旁邊，葉帥不說話，先念也不說。這里和基層很不一樣，我覺得這個地方不適合我，滿身的勁使不出來，好像鳥被關進籠子裡了，感到很拘束。」
1974年年底，借着去醫院探望周總理的機會，吳桂賢向總理表達了想回到陝西工廠的想法，被總理挽留了下來，令她沒想到的是，隨後的四屆全國人大，自己竟然當選為副總理，要知道此時的吳桂賢才不過37歲。
當時吳桂賢的工作實行「三三制」，即全年有三分之一時間待在中央，三分之一時間回工廠勞動，三分之一的時間下去考察。
此外，作為中央政治局的一員，吳桂賢也親身經歷了粉碎「四人幫」的過程。
1976年10月6日，吳桂賢突然接到通知，到玉泉山9號樓開會，吳桂賢到達會議室時，發現少了四個沙發，說：
「少了4個沙發。」
但其他人都沒有作聲。
不一會兒，華國鋒開始講話，說：
「剛才，桂賢說少了4個沙發。是的，今天少了4個沙發，那4個人永遠都不會來了。」
隨着「四人幫」被粉碎，中央解放了一大批老同志老幹部，吳桂賢再次萌生離開的想法，便向黨中央與華主席打報告，要求回陝西。
不久，華國鋒與汪東興接見了吳桂賢，吳桂賢說：
「把我的副總理免了吧，我在報告上寫了要回西北國棉一廠工作。」
華國鋒回道：
「副總理就不免了，等開五屆人大再說吧。不要回西北國棉一廠了，你還是陝西省委副書記之一，回陝西省委工作吧。」
即便如此，吳桂賢還是辭去了副總理的職務，回到西北國棉一廠繼續當她的工人去了。