Mircea Geoana a devenit membru al Partidului Social Democrat in 2001. La fel ca in diplomatie, ascensiunea sa in politica romaneasca a fost extrem de rapida. Dupa patru ani de activitate politica, Mircea Geoana a fost ales presedinte al social-democratilor in aprilie 2005, functie in care a fost reconfirmat pe 10 decembrie 2006, de catre Congresul Partidului Social Democrat.

Cu aceasta ocazie, Mircea Geoana a lansat proiectul-program Romania Sociala, ce propune o ambitioasa si complexa viziune inovatoare asupra dezvoltarii societatii romanesti, intemeiata pe principiile social-democratiei europene.

Din 2004, Mircea Geoana este senator de Dolj, presedinte al Comisiei pentru Politica Externa a Senatului Romaniei si membru al Comisiei Parlamentului Romaniei pentru Integrare Europeana.

In luna ianuarie 2006, el a fost ales Presedinte al Comitetului Internationalei Socialiste pentru Europa de Sud-Est, functie detinuta impreuna cu liderul Partidului Socialist Bulgar, Serghei Stanisev.

Din pozitia de lider al stangii romanesti, Mircea Geoana a promovat, in premiera, un Model Social Romanesc, bazat pe fundamentele social-democratiei europene si orientat catre nevoile si realitatile specifice tarilor din Europa Centrala si de Est. Aceasta initiativa a fost mai mult decat necesara, ea raspunzand unei nevoi acute de reforma sociala, economica si politica, in contextul procesului de redefinire a social-democratiei romanesti.

La Congresul PSD din octombrie 2008, Mircea Geoana a fost nominalizat in unanimitate drept candidatul partidului pentru functia de prim-ministru, misiune pe care a acceptat-o cu responsabilitate.  

Pe 30 noiembrie, Mircea Geoana a castigat cel de-al doilea mandat de senator, obținand aproape 65% din voturile locuitorilor din circumscripția electorala nr. 5 din Dolj. In decembrie 2008, Mircea Geoana a fost ales Presedinte al Senatului Romaniei.

In luna mai 2009, Mircea Geoana a fost desemnat de catre Consiliul National drept candidatul Partidului Social Democrat pentru cursa prezidentiala.