Da Audun Lysbakken våren 2012 trakk seg fra regjeringen, trådte Solhjell igjen inn som statsråd, denne gang som miljøvernminister. Han ble også medlem av Regjeringens underutvalg, sammen med Arbeiderpartiets og Senterpartiets ledere. Solhjell ble dermed SVs reelle lederskikkelse i regjeringen og var formelt statsministerens stedfortreder.