Không lâu sau cuộc bầu cử năm 2008, Biden được bổ nhiệm làm chủ tịch ủy ban chuyển giao quyền lực của ứng cử viên đắc cử Tổng thống Obama. Biden đã lựa chọn luật sư thuộc Đảng Dân chủ Ron Klain làm Chánh văn phòng[84] và phóng viên Time Jay Carney làm người phát ngôn của ông.[85] Ông cho biết ông muốn loại bỏ một số vai trò mà Phó Tổng thống tiền nhiệm từng giữ và sẽ không bắt chước theo bất kỳ Phó Tổng thống nào trước đấy..[86]

Biden tuyên thệ nhậm chức cùng với Phó Chánh án John Paul Stevens vào ngày 20 tháng 1 năm 2009.

Trưa ngày 20 tháng 1 năm 2009, Biden trở thành Phó Tổng thống Hoa Kỳ thứ 47.[87] Trong những tháng đầu tiên của chính quyền Obama, Obama so sánh Biden với một cầu thủ bóng rổ "người làm những việc không xuất hiện trên tờ kết quả thi đấu".[88] Biden thua cuộc trong một cuộc tranh luận nội bộ với Bộ trưởng Ngoại giao Hillary Clinton về việc ông phản đối điều 21.000 binh sĩ đến Afghanistan,[89][90] nhưng sự hoài nghi của ông vẫn được chính quyền Obama coi trọng.[46] Biden đã đến thăm Iraq tám lần, khoảng hai tháng một lần.[91][92] Biden cũng chịu trách nhiệm giám sát việc chi ngân sách cho cở sở hạ tầng từ gói hỗ trợ của Obama nhằm chống lại ảnh hưởng của cuộc suy thoái kinh tế đang diễn ra.[93]

Biden tại NAB Coronado, California vào tháng 5 năm 2009.Tổng thống Obama chúc mừng Biden về vai trò của ông trong việc đạt được thỏa thuận về trần nợ công, dẫn đến Đạo luật Kiểm soát Ngân sách năm 2011.Biden, Obama và đội ngũ an ninh quốc gia tập trung tại phòng Tình huống của Nhà Trắng để giám sát chiến dịch tiêu diệt Osama bin Laden của Mỹ.

Cuối tháng 4 năm 2009, khi nhận được một câu hỏi vào thời điểm dịch cúm lợn vừa bùng phát, Biden đã trả lời rằng ông sẽ khuyến cáo các thành viên trong gia đình mình không nên di chuyển bằng máy bay và tàu điện ngầm. Câu trả lời này không phù hợp với lập trường của chính quyền Obama và nhanh chóng được Nhà Trắng rút lại.[94] Vụ việc này đã dấy lên lại tai tiếng về việc nói hớ của Biden.[95][96][97] Ngày 23 tháng 3 năm 2010, Biden nói với Obama rằng việc Tổng thống ký Đạo luật Bảo vệ Bệnh nhân và Chăm sóc Sức khỏe Hợp túi tiền là một "sự kiện trọng đại".[98] Mặc dù có tính cách khác biệt, Obama và Biden đã xây dựng được tình bạn với nhau.[54]

Theo các thành viên của chính quyền Obama, vai trò của Biden trong Nhà Trắng là buộc người khác phải bảo vệ quan điểm của mình.[99] Obama đã nói, "Điều tuyệt vời nhất về Joe là ông thực sự khiến người khác phải suy nghĩ và bảo vệ quan điểm của mình, và nhìn nhận mọi thứ từ tất cả góc độ, và điều đó rất giá trị đối với tôi."[46] Ngày 11 tháng 6 năm 2010, Biden đại diện cho nước Mỹ tại lễ khai mạc World Cup.[100]

Biden vận động tranh cử rất tích cực cho các ứng cử viên Đảng Dân chủ trong cuộc bầu cử giữa nhiệm kỳ năm 2010.[101] Sau khi ông nhận được sự ủng hộ của Đảng Cộng hòa trong cuộc bầu cử và sau sự ra đi của Chánh văn phòng Nhà Trắng Rahm Emanuel, các mối quan hệ trước đây của Biden với các thành viên Đảng Cộng hòa trong Quốc hội trở nên quan trọng hơn.[102][103] Tháng 3 năm 2011, Obama bổ nhiệm Biden điều hành việc đàm phán giữa Quốc hội và Nhà Trắng nhằm giải quyết vấn đề ngân sách liên bang và tránh để chính phủ phải đóng cửa.[104] Đến tháng 5 năm 2011, một "ủy ban Biden" bao gồm sáu đại biểu Quốc hội chịu trách nhiệm đạt được một thỏa thuận giữa hai đảng về việc tăng trần nợ công, một phần của kế hoạch giảm thất thu ngân sách nhà nước.[105][106] Mối quan hệ giữa Biden và Mitch McConnell là một nhân tố quyết định trong việc phá vỡ sự bế tắc và mang lại một thỏa thuận để giải quyết cuộc khủng hoảng trần nợ công, mà cụ thể là đạo luật Kiểm soát Ngân sách năm 2011.[107][108][109] Một nhân viên Nhà Trắng của Đảng Cộng hòa cho biết, "Biden là người duy nhất thực sự có khả năng đàm phán, và [McConnell] biết mình có thể tin lời Biden. Ông là mấu chốt của thỏa thuận."[107]

Theo một số nguồn tin, Biden phản đối việc tiến hành chiến dịch tiêu diệt Osama bin Laden của Mỹ vào tháng 5 năm 2011.[91][110] Ông là người đầu tiên thông báo với các lãnh đạo của Quốc hội về sự thành công của chiến dịch.[111]

Tái tranh cử

Tháng 10 năm 2010, Biden cho biết Obama đã mời ông tiếp tục đồng tranh cử cùng mình trong cuộc bầu cử Tổng thống năm 2012,[101] nhưng vì tỷ lệ ủng hộ của Obama đang trên đà suy giảm, Chánh văn phòng Nhà Trắng William M. Daley đã tiến hành một số cuộc thăm dò và phỏng vấn nhóm một cách bí mật vào cuối năm 2011 về việc thay thế Biden bằng Hillary Clinton.[112] Ý tưởng này bị loại bỏ khi kết quả cho thấy làm như vậy sẽ không mang lại lợi ích gì đáng kể cho Obama,[112] và sau này các nhân viên Nhà Trắng cho biết Obama chưa bao giờ nghĩ đến việc đó.[113]

Tháng 5 năm 2012, một bình luận của Biden rằng ông "hoàn toàn thoải mái" với hôn nhân đồng giới đã gây khá nhiều chú ý từ công chúng, mà cụ thể là khi so sánh với lập trường được miêu tả là "đang dần thay đổi" của Obama.[114] Biden đưa ra bình luận này mà không có sự đồng ý của chính quyền, khiến Obama và các phụ tá không hài lòng, bởi Obama đã lên kế hoạch thay đổi lập trường của mình về vấn đề này trong vài tháng nữa khi Đại hội Đảng Dân chủ đến gần, và trước đó chính Biden từng khuyến cáo Tổng thống tránh nhắc đến vấn đề này để không xúc phạm đến các cử tri Công giáo.[54][115][116][117] Các nhà hoạt động vì quyền của người đồng tính dành rất nhiều quan tâm tới bình luận của Biden,[115] và vài ngày sau, Obama tuyên bố ông cũng ủng hộ hôn nhân đồng giới, một phần vì bị bình luận bất ngờ của Biden ép buộc.[118] Biden đã xin lỗi riêng với Obama vì việc này,[116][119] tuy nhiên Obama vẫn công nhận rằng Biden đã làm việc đó vì lương tâm của mình.[115] Vụ việc này cho thấy Biden vẫn gặp vấn đề với việc giữ kỷ luật về thông điệp,[54] như tờ Time đã viết, "Ai cũng biết thế mạnh lớn nhất của Biden cũng chính là điểm yếu lớn nhất của ông ấy."[91] Quan hệ giữa hai chiến dịch càng trở nên căng thẳng khi Biden dường như đã dùng chức vị của mình để thu thập các mối quan hệ gây quỹ nhằm chuẩn bị cho trường hợp ông sẽ tranh cử vào năm 2016, và cuối cùng ông bị loại ra khỏi các cuộc họp chiến lược cho chiến dịch của Obama.[112]

Biden bên cạnh Tổng thống Barack Obama, tháng 7 năm 2012

Tuy vậy chiến dịch của Obama vẫn coi trọng Biden vì khả năng kết nối với người lao động chân tay cũng như các cử tri ở khu vực nông thôn của ông, và ông đã xuất hiện rất thường xuyên ở các bang rung lắc khi chiến dịch tái tranh cử của Obama thực sự khởi động vào mùa xuân năm 2012.[91][120] Tháng 8 năm 2012, trước những khán giả có chủng tộc khác nhau, Biden đã bình luận rằng đề xuất giảm thiểu kiểm soát phố Wall của Đảng Cộng hòa sẽ khiến họ "quay trở lại làm nô lệ". Bình luận này một lần nữa dẫn đến sự phân tích về năng lực vận động tranh cử trực tiếp so với thói quen đi chệch hướng của Biden.[120][121][122] Los Angeles Times đã viết, "Hầu hết ứng cử viên đều phát biểu, khiến các phóng viên và khán giả phải buồn ngủ. Nhưng bất kỳ bài phát biểu nào của Biden cũng có thể có một vài khoảng khắc làm những người phụ trách truyền thông, và khiến các phóng viên phải nhìn nhau trong thích thú lẫn bối rối."[121] Theo Tạp chí Time, Biden thường đi quá xa và "không chỉ có sự kết hợp giữa tham lam và tự tin thái quá thường thấy ở Washington, mà bộ não của Biden vượt quá giới hạn bông đùa thông thường."[120]

Biden chính thức được đề cử Phó Tổng thống thêm một nhiệm kỳ tại Đại hội Đảng Dân chủ năm 2012 ở Charlotte, North Carolina.[123] Ông đối đầu với ứng cử viên của Đảng Cộng hòa, Nghị sĩ Paul Ryan, trong cuộc tranh luận diễn ra vào ngày 11 tháng 10 ở Danville, Kentucky. Tại đây ông bảo vệ chính quyền Obama một cách quyết liệt và công kích mạnh mẽ đối thủ của mình nhằm nỗ lực giành lại đà mà Obama đã đánh mất sau cuộc tranh luận với ứng cử viên Tổng thống của Đảng Cộng hòa Mitt Romney một tuần trước.[124][125]

Ngày 6 tháng 11 năm 2012, Obama và Biden đắc cử nhiệm kỳ thứ hai.[126] Hai người nhận được 332 phiếu đại cử tri so với 206 phiếu dành cho Romney–Ryan, và chiếm 51% tổng số phiếu của cử tri toàn quốc.[127]

Biden phát biểu tại Đối thoại Chiến lược và Kinh tế Mỹ–Trung ở Washington, D.C., tháng 7 năm 2013.

Tháng 12 năm 2012, Obama bổ nhiệm Biden điều hành Đơn vị Tác chiến Bạo lực Súng đạn, được thành lập nhằm giải quyết những nguyên nhân dẫn đến tình trạng Bạo lực súng đạn ở Mỹ sau vụ thảm sát Trường tiểu học Sandy Hook.[6] Cuối tháng 12, trong những ngày cuối cùng trước khi Mỹ rơi khỏi "bờ vực tài chính", mối quan hệ giữa Biden và McConnell một lần nữa đóng vai trò quan trọng khi hai người đạt được một thỏa thuận dẫn đến việc Đạo luật Giảm thuế năm 2012 được thông qua vào đầu năm 2013.[128][129] Đạo luật đã khiến nhiều mức giảm thuế do chính quyền Tổng thống Bush đưa ra trở nên cố định, nhưng đã tăng mức thuế đối với các mức thu nhập cao.[129]