Nybakk ble innvalgt som vararepresentant til Stortinget fra Oslo i 1985, og møtte fast for Gro Harlem Brundtland fra 9. mai 1986 etter at Brundtland ble statsminister. Nybakk ble fast representant 26. februar 1987 etter Knut Frydenlunds bortgang, og ble gjenvalgt som stortingsrepresentant for Oslo i 1989, 1993, 1997, 2001, 2005, 2009 og 2013. Fra 2013 var hun både den sittende representanten som har sittet lengst på Stortinget og den lengstsittende kvinnelige stortingsrepresentanten noensinne.