AK Parti Genel Merkez Kadın Kolları Başkanlığında bir dönem Teşkilattan Sorumlu Başkan Yardımcılığı, bir dönem de Siyasi İşlerden Sorumlu Başkan Yardımcılığını üstlendi. 2007-2011 yılları arasında AK Parti Genel Merkez Kadın Kolları Başkanı olarak görev yaptı.
2011 genel milletvekili seçimi sonrasında kurulan 61’inci hükümette Aile ve Sosyal Politikalar Bakanlığı Kurucu Bakanı olarak görevlendirildi. Böylelikle Güneydoğu Anadolu Bölgesi’nin ilk kadın Bakanı unvanını aldı.
Türkiye Engelliler Vakfı engelliler ile ilgili yaptığı çalışmalar nedeniyle Bakan Fatma Şahin‘i Yılın Kadını olarak seçti.
30 Mart 2014’te yapılan yerel seçimlerde Türkiye’nin ilk kadın büyükşehir belediye başkanlarından biri seçilerek Gaziantep Büyükşehir Belediye Başkanı oldu. 8 Mayıs 2018 tarihinde Türkiye Belediyeler Birliği Başkanlığına seçildi.
2016 – 2019 dönemi Asya Belediye Başkanları Forumu Başkanı, 2016 Birleşik Şehirler ve Yerel Yönetimler Başkan Yardımcısı ve Birleşik Şehirler ve Yerel Yönetimler Ortadoğu ve Batı Asya Bölümü Başkanı olarak görev yaptı.
2021’de OECD Şampiyon Başkanlar Girişimi’ne Türkiye’den seçilen ilk belediye başkanı oldu.
2023’te Birleşmiş Milletler (BM) Genel Sekreteri António Guterres tarafından BM Yerel ve Bölgesel Yönetimler Danışma Grubu’na üye olarak atandı.
2019-2023 yılları arasında Türkiye Belediyeler Birliği Başkanlığı görevini yürüttü.
Evli ve iki çocuk annesi olan Şahin halen Gaziantep Büyükşehir Belediye Başkanlığı görevini sürdürmektedir.