En 2009, les dirigeants d'Europe Écologie lui demandent de prendre la tête de leur liste dans la région Rhône-Alpes pour les élections régionales de 2010. Meirieu, qui dit avoir longtemps soutenu le Parti socialiste et ne plus s'y reconnaître, accepte la proposition. Le 7 novembre 2009, il devient tête de liste d'Europe-Écologie en Rhône-Alpes pour les élections régionales de mars 2010, après un vote des militants des Verts, réunis en assemblée générale à l'université Lyon II. La liste qu'il conduit obtient 17,5% des suffrages au premier tour des élections régionales de 2010 et se place en 3e position derrière le PS et l'UMP. Élu conseiller régional après la fusion des listes de gauche et leur victoire, il devient deuxième vice-président du conseil régional, délégué à la formation tout au long de la vie. Il est en outre président délégué du Pôle Rhône-Alpes Orientation.