Solheim var leder i Sosialistisk Ungdom 1977–1980, partisekretær i SV 1981–1985, partileder i SV 1987–1997, stortingsrepresentant 1989–2001, utviklingsminister 2005–2012 og miljøvernminister 2007–2012 i Jens Stoltenbergs andre regjering. Som partileder i SV stod han for en reformkurs som beveget partiet nærmere det politiske sentrum, og som la grunnlaget for partiets senere regjeringssamarbeid med Arbeiderpartiet, men som også møtte sterk motstand på venstresiden i eget parti i hans lederperiode. Internt i SV ble Solheim regnet til «høyrefløyen».