Et viktig forslag fra Stoltenberg-regjeringen, og et personlig engasjement fra statsministeren selv, var samarbeid med tropiske land om å bevare mer av regnskogen deres for å binde karbondioksid (CO₂) og slik redusere skadelige klimagassutslipp som gir global oppvarming. I 2007 fikk regjeringen støtte fra opposisjonen til en langsiktig avtale om å finansiere skogsbevaring med 3 milliarder kroner hvert år. Stoltenbergs regjering tok initiativ til og støttet de innenlandske klimakuttene som ble fremforhandlet med Klimaforliket i Stortinget i 2008, som et tverrpolitisk grunnlag for norske forhandlingsposisjoner internasjonalt. Stoltenberg la samtidig vekt på at internasjonale avtaler med globale avgifter eller kvoter er det mest effektive virkemidlet for å redusere klimagassutslippene. Forut for FNs klimakonferanse 2009 i København markerte Stoltenberg seg sterkt som talsmann for bevaring av regnskog. Et eget forslag om bevaring av regnskog med finansiering fra rike land, ble fremmet av Stoltenberg og Brasils president Lula da Silva i 2009, og oppnådde støtte blant andre fra USAs president Barack Obama under COP15 i København.