Fra 1990 fikk Stoltenberg stadig tyngre partiverv; leder i Oslo Arbeiderparti 1990–1992 og nestleder i Arbeiderpartiet 1992–2002. Han var statssekretær i Miljøverndepartementet 1990–1991 under Thorbjørn Berntsen. Fra denne posisjonen ledet han Arbeiderpartiets miljøutvalg.