W wyborach parlamentarnych w 2005 bez powodzenia kandydował do Senatu z ramienia Platformy Obywatelskiej (zajął 7. miejsce wśród 20 kandydatów w okręgu). 7 listopada 2005 powołano go na stanowisko podsekretarza stanu w Ministerstwie Obrony Narodowej. 26 lipca 2006 podał się do dymisji, obowiązki wiceministra przestał pełnić 10 sierpnia 2006. Stał się jednym z autorów polskiej doktryny obronnej lat 90., głównym autorem Planu obrony Rzeczypospolitej Polskiej, Strategii obronności Rzeczypospolitej Polskiej oraz Polityczno-Strategicznej Dyrektywy Obronnej, a także autorem kilkuset publikacji z dziedziny nauk wojskowych.
13 kwietnia 2010 wykonujący obowiązki prezydenta RP marszałek Sejmu Bronisław Komorowski powołał Stanisława Kozieja na urząd szefa Biura Bezpieczeństwa Narodowego, nieobsadzony po śmierci Aleksandra Szczygły. 20 maja 2010 został powołany w skład Rady Bezpieczeństwa Narodowego. 5 sierpnia 2015 został odwołany z dniem 6 sierpnia 2015 ze stanowiska szefa BBN. W 2018 zasiadł w radzie Fundacji Instytut Bronisława Komorowskiego, następnie został członkiem rady programowej tej fundacji.