Stoltenberg ble ved stortingsvalget 1989 tredje vararepresentant til Stortinget fra Arbeiderpartiet i Oslo. Han møtte fast for Bjørn Tore Godal 1991–1993. I 1993 ble han valgt inn på eget mandat, og han ble siden gjenvalgt frem til valget i 2013. Han var leder i Stortingets energi- og miljøkomité fra 1997 frem til han ble statsminister i 2000.