Im Oktober 2011 gewann der als pro-russisch geltende Sozialdemokrat die Präsidentschaftswahl mit knapp 63 Prozent. Atambajew wurde damit der Nachfolger des anderthalb Jahre zuvor gestürzten autoritär regierenden Kurmanbek Bakijew bzw. der Übergangspräsidentin Rosa Otunbajewa. Bei seinem Staatsbesuch in Russland im Juni 2017 gab Atambajew bekannt, er habe Wladimir Putin, der als ein Vertrauter Atambajews gilt, um die Errichtung einer zweiten russischen Militärbasis im Süden von Kirgistan gebeten. Dies sei notwendig und hänge mit der Erstarkung der Taliban in Afghanistan und anderer islamistischer Terrorgruppen zusammen, die die Sicherheit des Landes gefährden würden. In Kant, ca. 40 Kilometer von der Hauptstadt Bishkek entfernt befindet sich bereits ein russischer Militärstützpunkt. 2016 kam es zu einem Treffen von Atambajew und Bundeskanzlerin Angela Merkel. Ein weiteres Thema seiner Präsidentschaft waren Grenzkonflikte mit dem Nachbarland Usbekistan, unter anderem um den Berg Ungar-Too. Gegen Präsident Atambajew wurden bereits während seiner Präsidentschaft Vorwürfe erhoben, er missbrauche sein Amt und sei korrupt. Konkret wurden die Vergabe eines Renovierungsauftrags eines Heizkraftwerks und die Freilassung eines landesweit bekannten Straftäters kritisiert und hinterfragt. Bei der Präsidentschaftswahl in Kirgisistan 2017 durfte er nicht mehr antreten, zu seinem Nachfolger wurde der ehemalige Regierungschef Sooronbai Dscheenbekow gewählt. Zu Dscheenbekow hat Atambajew jedoch ein angespanntes Verhältnis, da beide um die Vorherrschaft innerhalb der Sozialdemokratischen Partei Kirgisistans (SDPK) konkurrieren.