Foran stortingsvalget i 2009 ble han nominert som Arbeiderpartiets 4. kandidat til Stortinget fra Oslo. Han ble dermed innvalgt på Stortinget, men Truls Wickholm møtte i hans sted det meste av tiden Støre var medlem av regjeringen. Nominasjonen skapte en intern debatt, fordi partiets venstreside ønsket Marianne Marthinsen på denne plassen, og fordi en annen sikker listeplassering ble vanskeliggjort av partiets regel om kjønnsbalanse på valglistene. Ved stortingsvalget i 2013 ble Støre gjenvalgt.