Am 13. Januar 2003 trat Kulongoski sein Amt als Gouverneur von Oregon an. Am 7. November 2006 gewann er die Wiederwahl zum Gouverneur gegen seinen republikanischen Herausforderer Ron Saxton. Zum Zeitpunkt seines Amtsantritts musste sich Kulongoski mit dem größten Haushaltsdefizit seit der Weltwirtschaftskrise auseinandersetzen. Das war eine Folge der nach den Terroranschlägen des 11. September 2001 einsetzenden wirtschaftlichen Rezession. Durch eine Reform des Haushaltswesens und durch geschickte Investitionsprogramme gelang es ihm, allmählich wieder eine gewisse finanzielle Stabilität herzustellen. Die Infrastruktur des Staates wurde verbessert, und etwa 150.000 neue Arbeitsstellen geschaffen. Das war auch teilweise ein Resultat der Ansiedlung von Firmen aus anderen Teilen der USA. Für seine zweite Amtszeit, die im Januar 2007 begann, nahm er sich eine weitere Verbesserung des Bildungssystems und des Gesundheitswesens vor. Er wollte Oregon weltweit zur führenden Kraft im Kampf um erneuerbare und alternative Energien machen.