Djupedal ble i statsråd 19. desember 2008 utnevnt til fylkesmann i Aust-Agder for en periode på seks år, en utnevnelse som ble møtt med kritikk. Øystein Djupedal meldte seg først som søker en måned etter at søknadsfristen var gått ut, etter å ha blitt bedt om å søke stillingen av fornyingminister Heidi Grande Røys. I utgangspunktet hadde han søkt fylkesmannsstillingen i Nord-Trøndelag, men denne fikk hans partifelle Inge Ryan. Djupedal tiltrådte som fylkesmann 1. oktober 2009. Han gikk av da fylkesmannsembetet i Aust-Agder ble slått sammen med Vest-Agders 1. januar 2016.