W wyborach 10 października 2010 Socjaldemokratyczna Partia Kirgistanu zajęła drugie miejsce, zdobywając 26 mandatów w 120-osobowym parlamencie. Prezydent Roza Otunbajewa powierzyła Atambajewowi misję sformowania rządu. 30 listopada 2010 Socjaldemokratyczna Partia Kirgistanu ogłosiła zawiązanie koalicji z partią Respublika oraz Ata Meken i nominowała Atambajewa na stanowisko szefa rządu. Do powołania koalicji jednak nie doszło, ponieważ lider Ata Meken Omurbek Tekebajew nie uzyskał wystarczającej liczby głosów w parlamencie, by zgodnie z umową objąć stanowisko przewodniczącego izby.
17 grudnia 2010 podpisano nową umowę koalicyjną między Socjaldemokratyczną Partią Kirgistanu oraz partiami Respublika i Ata Żurt. Tego samego dnia parlament zatwierdził skład gabinetu na czele z Ałmazbekiem Atanbajewem jako premierem.
23 września 2011 zrezygnował z urzędu szefa rządu z powodu startu w wyborach prezydenckich zaplanowanych na 30 października 2011. Pełniącym obowiązki premiera został wówczas wicepremier Ömürbek Babanow. Wybory wygrał już w pierwszej turze głosowania.