W ramach porozumienia między grupami chadecką i socjalistyczną Martin Schulz 17 stycznia 2012 zastąpił Jerzego Buzka na stanowisku przewodniczącego Europarlamentu VII kadencji.
1 marca 2014 Martin Schulz został oficjalnym kandydatem Partii Europejskich Socjalistów na nowego przewodniczącego Komisji Europejskiej.
18 czerwca 2014 został wybrany na przewodniczącego grupy socjalistów i demokratów w VIII kadencji PE, wobec czego na niespełna dwa tygodnie przed końcem VII kadencji zrezygnował z funkcji przewodniczącego Europarlamentu. 1 lipca 2014 został ponownie wybrany na przewodniczącego Parlamentu Europejskiego (VIII kadencji). Pełnił tę funkcję do 17 stycznia 2017, kiedy to w połowie kadencji na czele PE stanął Antonio Tajani. W styczniu 2017 ogłoszono go kandydatem SPD na kanclerza Niemiec w wyborach parlamentarnych w 2017. 29 stycznia jego kandydaturę zatwierdził zarząd partii, nominując go również na przewodniczącego SPD. 10 lutego Martin Schulz złożył mandat eurodeputowanego, a 19 marca 2017 oficjalnie przejął przywództwo w partii w miejsce Sigmara Gabriela.