Stoltenberg har vært medlem av Arbeiderpartiet siden han var 14 år. I 1973 var han med på å reetablere et lokallag av Arbeidernes ungdomsfylking (AUF) på Majorstua i Oslo. I 1978 ble han innvalgt i sentralstyret i Norges Gymnasiastsamband (NGS), som en av de første AUF-erne siden 1960-årene. Han var sentralstyremedlem i AUF fra 1979, nestleder fra 1983 og leder fra 1985 til 1989.