W 2012 został wybrany na przewodniczącego SPD w Dolnej Saksonii. W 2013 uzyskał mandat posła do landtagu, z powodzeniem ubiegał się o reelekcję w kolejnych wyborach w 2017 i 2022.
W lutym 2013 został też powołany na premiera Dolnej Saksonii (w ramach koalicji z Zielonymi). W tym samym roku został także przewodniczącym Bundesratu. W 2017 rządząca koalicja nie uzyskała parlamentarnej większości. SPD podpisała wówczas porozumienie koalicyjne z Unią Chrześcijańsko-Demokratyczną, dzięki czemu Stephan Weil zachował stanowisko premiera Dolnej Saksonii. W 2022 po raz trzeci stanął na czele rządu krajowego, powracając do koalicji z Zielonymi.
W kwietniu 2025 ogłosił zamiar ustąpienia ze stanowiska premiera w następnym miesiącu, co motywował wiekiem i stanem zdrowia. Na swojego następcę wskazał ministra Olafa Liesa. Zakończył urzędowanie 20 maja 2025. Odszedł również w tymże miesiącu z funkcji przewodniczącego partii w landzie.
Odznaczenia Wielki Krzyż Zasługi z Gwiazdą i Wstęgą Orderu Zasługi Republiki Federalnej Niemiec (2023)