Происходит из известной в норвежской политике семьи. Его отец Турвальд Столтенберг занимал пост министра иностранных дел Норвегии.
Начал свою карьеру как журналист в тогда влиятельной газете «Arbeiderbladet», являвшейся официальным рупором норвежских левых. Возглавлял молодёжное крыло Норвежской рабочей партии в 1985—1989. Министр торговли и энергетики в 1993—1996 в правительстве Гру Харлем Брундтланд. Министр финансов в 1996—1997 в правительстве Турбьёрна Ягланда.
В марте 2000 возглавил правительство страны. Кабинет просуществовал немногим более года. На очередных парламентских выборах 10 сентября 2001 Норвежская рабочая партия получила один из своих самых худших результатов за всю историю, набрав лишь 24 процентов голосов избирателей.
В условиях внутрипартийного кризиса сменил Турбьёрна Ягланда на посту председателя партии и возглавил Норвежскую рабочую партию в 2002 году. Смог привести её к победе на парламентских выборах. По результатам парламентских выборов 12 сентября 2005 Норвежская партия смогла сформировать правящую коалицию с центристами и Социалистической Левой партией. 17 октября 2005 правительство под руководством Йенса Столтенберга приступило к работе.
По результатам парламентских выборов, прошедших 13 сентября 2009 года, Норвежская рабочая партия, вместе со своими союзниками по коалиции, смогла получить незначительное большинство мест в парламенте, что дало возможность Йенсу Столтенбергу вновь сформировать правительство. 20 октября 2009 Столтенберг представил новый состав кабинета министров страны. Одно из главных отличий нового состава правительства от прежнего — наличие полного гендерного равенства: среди министров десять мужчин и десять женщин.
