Britta Thomsen blev valgt til Europa-Parlamentet i 2004 og tjente som medlem indtil 2014. I løbet af sin tid i Europa-Parlamentet var hun medlem af flere vigtige udvalg, herunder Udvalget for Industri, Forskning og Energi samt Udvalget for Kvinders Rettigheder og Ligestilling. Hendes arbejde i disse udvalg fokuserede på at fremme bæredygtig udvikling, innovation og ligestilling i hele Europa.
Som medlem af Europa-Parlamentet var Thomsen også aktiv i at bekæmpe menneskehandel og fremme kvinders rettigheder. Hun har været en stærk fortaler for ligestilling og har arbejdet for at sikre, at kvinder har lige muligheder i arbejdsmarkedet og samfundet generelt.