2010年1月任青海省人民政府省长，晋升正部级。2010年4月，青海玉树地震后，骆惠宁兼任青海省玉树地震灾后重建工作领导小组组长，主持灾区救灾、赈灾及灾后重建工作。2011年7月，骆惠宁率领青海省代表团访问美国，参加首届中美省州长论坛。期间青海省与犹他州正式缔结友好省州关系，并创建“产业技术创新战略联盟”合作（）。与此同时，他还致力于青海全省的经济结构转型，包括提高青海高原和查达木盆地的金属矿产开发与技术引进。2013年3月19日，骆惠宁升任中共青海省委书记，同年4月当选青海省人民代表大会常务委员会