Som leder i AUF bidro Stoltenberg til at AUF ikke lenger var på kollisjonskurs med moderpartiet i samme grad som tidligere. AUFs motstand mot norsk medlemskap i NATO ble første gang vedtatt i 1969, og standpunktet ble stadfestet på hvert landsmøte frem til 1987, da det ble erstattet med et mål om «nærkamp» internt i NATO for et blokkfritt og atomvåpenfritt Europa. På det samme landsmøtet ble hans forslag om å godta karakterer i videregående skole nedstemt. I ledertida var han også visepresident i IUSY (Den sosialistiske ungdomsinternasjonale).