W 2006 po raz pierwszy uzyskał mandat posła do Izby Deputowanych z ramienia Drzewa Oliwnego. Z powodzeniem ubiegał się o reelekcję w wyborach w 2008 i 2013 z listy powstałej w 2007 Partii Demokratycznej. W niższej izbie włoskiego parlamentu zasiadał do 2018. Pełnił m.in. funkcję przewodniczącego włoskiej delegacji do Zgromadzenia Parlamentarnego Rady Europy oraz wiceprzewodniczącego tego gremium. Od 2004 był zastępcą sekretarza generalnego Europejskiej Partii Demokratycznej, w 2010 powołany na wiceprzewodniczącego Partii Demokratycznej.
W latach 2014–2018 był podsekretarzem stanu do spraw europejskich w rządach, którymi kierowali Matteo Renzi i Paolo Gentiloni. W 2018 został wybrany na nowego przewodniczącego Unii Europejskich Federalistów.
W wyborach w 2019 z ramienia francuskiej koalicji skupionej wokół prezydenckiego ugrupowania LREM kandydował na deputowanego do PE IX kadencji. Uzyskał mandat poselski, jednak jego objęcie zostało zawieszone do czasu brexitu. W tym samym roku opuścił PD, dołączając do nowej partii Italia Viva. W lutym 2020 ostatecznie zasiadł w Europarlamencie.