斯托尔膝贝格先后任挪威驻旧金山副领事、驻贝尔格莱德大使馆秘书、外交部新闻司秘书、外交大臣秘书处参事、驻尼日利亚使馆参赞等职。1978年至1979年任联合国南北委员会主席、联合国难民事务高级专员。1979年至1981年任挪威国防大臣，1987年至1989年任挪威外交大臣，1990年再任外交大臣。

他长期从事外交工作，积累了丰富的外交经验。特别是1962一1964年,他在挪威驻南斯拉夫大使馆任职三年，对原南斯拉夫情况十分熟悉,并通晓塞尔维亚一克罗地亚语。 1993年4月，应联合国秘书长邀请，挪威外交大臣斯托尔滕贝格接替76岁的赛勒斯·万斯出任联合国前南斯拉夫冲突问题国际会议两主席之一。

托尔瓦·斯托尔滕贝格的儿子延斯·斯托尔滕贝格曾于2000年和2005年两度出任挪威首相。