A partir daí, o senador tornou-se colega de trabalho de Nestor Cerveró, ex- diretor da Área Internacional da Petrobras, e Paulo Roberto Costa, ex-diretor de Abastecimento da estatal. Hoje, Delcídio, Cerveró e Paulo Roberto, além de ex-colegas, se tornaram réus da Operação Lava-Jato, que apura o assalto aos cofres da empresa que foi a maior petrolífera do mundo. Em momentos distintos, todos estiveram presos na carceragem da Polícia Federal em Curitiba, de onde saíram sob a mesma condição: a delação premiada.
A aproximação de Delcídio com o PT só ocorreu a partir de 2001, quando se tornou secretário de Infraestrutura do então governador do Mato Grosso do Sul, Zeca do PT. Isso lhe rendeu um apoio para sua primeira eleição ao Senado, em 2002, já como um quadro petista.
Em abril de 2015, Delcídio foi escolhido pela presidente Dilma Rousseff como líder do governo no Senado, até ser preso oito meses depois, sob a acusação de tentar interferir nas investigações da Lava-Jato. De acordo com o inquérito, o senador petista tentou impedir a delação premiada de seu ex-colega de trabalho Nestor Cerveró, numa tentativa de evitar que ele revelasse sua participação a compra da refinaria de Pasadena, no Texas (EUA). Ele ofereceu um plano de fuga para Cerveró, mas teve usa proposta gravada pelo filho do executivo da estatal.
Delcídio enfrenta hoje um processo de cassação na Comissão de Ética do Senado. Ele deixou a cela da PF no dia 19 e prometeu reassumir sua cadeira no dia 22. Mudou de ideia, alegando que precisava ter melhor conhecimento das condições de seu habeas corpus e cuidar de sua defesa no conselho. O senador, que prestou sua declaração duas semanas antes de ser libertado, pediu que seu depoimento não fosse vazado antes de seu julgamento no Senado. O objetivo seria pressionar os colegas para evitar a cassação.
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