En 2001 Ronan Dantec est élu comme adjoint au maire de Nantes Jean-Marc Ayrault, et vice-président de la Communauté urbaine de Nantes (Nantes métropole), chargé de l'environnement et du développement durable, au sein du Groupe Europe-Écologie Les Verts. Il a notamment conduit la mise en place de l'agenda 21 de la ville (2005), et du plan climat (2006). Il a piloté avec succès la candidature de Nantes au titre de Capitale verte de l'Europe (lauréate pour l'année 2013).

Une fois élu au Sénat, en septembre 2011, Ronan Dantec a démissionné de ses deux mandats exécutifs locaux dans un souci de non-cumul des mandats. Il est actuellement conseiller municipal de Nantes et conseiller communautaire de Nantes Métropole, sans responsabilité exécutive.
Il est également secrétaire général de la Fédération des Élus Verts et Ecologistes (FEVE) depuis 2008.