I valet till Europaparlamentet 2009 stod Jens Nilsson på sjätte plats på Arbetarepartiet-Socialdemokraternas kandidatlista och kunde tillträda som ledamot den 1 december 2011 efter att Lissabonfördraget trätt i kraft och ett tilläggsprotokoll därtill ratificerats.[3] Han omvaldes i maj 2014. I Europaparlamentet satt Jens Nilsson i utskottet för transport och turism samt utskottet för regional utveckling. I juni 2017 utsågs han till parlamentets huvudförhandlare för att ta fram nya cabotageregler.