– Jag är djupt hedrad över att ha blivit ombedd att hjälpa mitt land i detta kritiska skede, säger den före detta Natochefen, som tidigare även varit Norges statsminister i två omgångar, till TV2.
Stoltenbergs fru Ingrid Schelerud säger till tv-kanalen att makens nya uppdrag känns "spännande".
Den norska regeringskrisen blev ett faktum i torsdags, sedan styrande Arbeiderpartiets samarbetspartner Senterpartiet (Sp) valt att lämna i protest över regeringens energipolitik.
"Extremt populär"
Kollapsen innebär att Jonas Gahr Støre framöver styr en försvagad regering i minoritetsställning. Men enligt bedömare kan Stoltenbergs överraskande återkomst ge partiet ett välbehövligt lyft.
– Han är en extremt populär politiker som har en stark position i Norge och internationellt, säger valforskaren Johannes Bergh till nyhetsbyrån NTB.
– Han är också väldigt duktig på att kommunicera och driva valkampanjer.
Undkom terrorn
Norge styrs nu av den första "rena" Ap-regeringen på 25 år, uppger statsministern i samband med presentationen av den nya konstellationen.
Fem av 20 statsråd var på plats på Utøya under terrorattacken i juli 2011, påpekar Gahr Støre – däribland nytillträdde jordbruks- och livsmedelsministern Nils Kristen Sandtrøen och nye utvecklingsministern Åsmund Aukrust.
Orsaken till förra veckans regeringskollaps var djupa meningsskiljaktigheter om EU:s fjärde energipaket. Stoltenbergs företrädare på finansministerposten, Trygve Slagsvold Vedum (Sp), har anklagat Arbeiderpartiet för att ge efter för EU på gemene norrmans bekostnad.