Ritenendo il Partito democratico il luogo adatto per il suo impegno politico, Sassoli si candida e il 7 giugno del 2009 viene eletto europarlamentare del Partito Democratico con oltre 400 mila preferenze.
Nella legislatura 2009-2014 ha ricoperto l'incarico di capo delegazione del Pd. Nel 2014 si ricandida quindi alle Elezioni europee nella circoscrizione del Centro e ottiene oltre 200.000 preferenze (60.000 solo a Roma). Il 1° luglio dello stesso anno viene eletto Vicepresidente del Parlamento Europeo con 393 voti, risultando il secondo più votato in quota PD-PSE con delega alla Politica del mediterraneo, al Bilancio e agli immobili. Come membro della Commissione Trasporti e Turismo è inoltre relatore della riforma ferroviaria europea (IV Pacchetto Ferroviario) e del Cielo Unico europeo. Oggi l'elezione a presidente.