Stoltenberg memulai kariernya di pemerintahan sebagai sekretaris negara di Kementerian Lingkungan Hidup pada tahun 1990 dan terpilih menjadi anggota Storting pada tahun 1993. Ia menjabat sebagai Menteri Industri dan Energi dari tahun 1993 hingga 1996 dan Menteri Keuangan dari tahun 1996 hingga 1997. Ia menjabat sebagai perdana menteri dari tahun 2000 hingga 2001, menjadi pemimpin Partai Buruh dari tahun 2002 hingga 2014, dan menjabat sebagai perdana menteri untuk kedua kalinya dari tahun 2005 hingga 2013. Pada tahun berikutnya, ia diangkat sebagai sekretaris jenderal ke-13 NATO, dan masa jabatannya kemudian diperpanjang empat kali oleh kepala negara dan pemerintahan NATO.
Stoltenberg digambarkan sebagai politikus yang berhati-hati dan termasuk dalam sayap kanan demokrasi sosial. Ketika ia menjadi perdana menteri pada tahun 2000, ia digambarkan sebagai "Tony Blair-nya Norwegia", dan kebijakannya terinspirasi oleh agenda Partai Buruh Baru Blair. Sebagai pejabat tinggi dengan masa jabatan terlama kedua dalam sejarah NATO, Stoltenberg telah berupaya memperluas aliansi ke Eropa Timur dan memperkuat kemampuan militer aliansi dalam menanggapi Perang Rusia-Ukraina, dan masa jabatannya bertepatan dengan peningkatan terbesar dalam anggaran pertahanan NATO sejak Perang Dingin.