Uiteindelijk werd Samsom in januari 2003, na de val van kabinet-Balkenende I, alsnog verkozen tot Kamerlid. In zijn nieuwe functie borduurde de jonge krullenbol voort op zijn groene verleden als woordvoerder Milieu en duurzaamheid. Zijn bekendheid groeide door zijn – soms felle – strijd tegen onder andere kolencentrales, een tweede kerncentrale en geluidsoverlast bij Schiphol. Hij pleitte bovendien naar hartelust voor het gebruik van windenergie en zonne-energie. In 2008 deed Samsom al eens een greep naar het fractievoorzitterschap. Toen verloor hij die strijd van Mariëtte Hamer, ondanks dat hij onder de PvdA-kiezers vele malen populairder bleek. Hoewel dat Samsom inmiddels deel uitmaakte van het partij-establishment ontpopte hij zich tot het ‘groene geweten’ van de PvdA.