W latach 2003–2005 sprawował funkcję sekretarza generalnego Norweskiego Czerwonego Krzyża.
17 października 2005 został mianowany ministrem spraw zagranicznych w drugim rządzie Jensa Stoltenberga. W 2009 uzyskał mandat deputowanego do Stortingu. 21 września 2012 przeszedł na stanowisko ministra zdrowia. W 2013 utrzymał mandat poselski, kończąc urzędowanie na stanowisku ministra.
14 czerwca 2014 zastąpił Jensa Stoltenberga na stanowisku przewodniczącego Partii Pracy. W 2017, 2021 i 2025 wybierany ponownie do norweskiego parlamentu.
W wyniku wyborów w 2021 ugrupowania centroprawicy utraciły większość w parlamencie. Jonas Gahr Støre zawarł wówczas porozumienie koalicyjne o utworzeniu mniejszościowego rządu centrolewicowego z udziałem Partii Pracy i Partii Centrum. 14 października 2021 objął urząd premiera Norwegii, stając na czele nowego gabinetu. W styczniu 2025 centryści ogłosili opuszczenie koalicji rządowej. We wrześniu 2025 Partia Pracy wygrała kolejne wybory parlamentarne;