I 2005 ble Stensrud valgt til førstesekretær av LO-kongressen, og dermed nummer fire i LO-ledelsen. Etter Vallas avgang i 2007 rykket hun opp til nummer fire, fordi tidligere første nestleder Roar Flåthen ble ny LO-leder og tidligere andre nestleder Geir Mosti ble eneste nestleder. Da Bente N. Halvorsen trakk seg som hovedkasserer 25. oktober 2010, rykket Ellen Stensrud opp som nummer tre i LOs ledelse.