После возвращения в Ленинград в июне 1990 года Путин стал помощником проректора (согласно официальной биографии – ректора) ЛГУ по международным вопросам. Являлся представителем КГБ при этом вузе. По словам самого Путина, в его планы в это время входило написать диссертацию по международному частному праву.
Затем, в том же 1990 году, Путин начал политическую карьеру под руководством председателя Ленинградского городского совета Анатолия Собчака. Они впервые встретились, когда Собчак был молодым преподавателем, и Путин побывал на нескольких его семинарах. Ближе познакомились только после возвращения Путина из Германии. Расхожее мнение о том, что Путин был "лучшим учеником" Собчака, ошибочно. Путин стал советником Собчака по международным связям. В частности, принимал участие в налаживании обмена экономическим опытом с зарубежными странами.
В 1990 году Путин стал фигурантом скандала. Группа депутатов Ленсовета во главе с Мариной Салье и Юрием Гладковым обвиняла советника Собчака в неэффективном использовании вверенных ему полномочий: речь шла о выдаче лицензий на вывоз за рубеж сырья и цветных металлов. Лицензии выдавались под поставки в город продовольствия, но эти поставки так и не состоялись. Прямых злоупотреблений со стороны Путина выявлено не было, и он благополучно пережил скандал. По мнению самого Путина, скандал был организован, чтобы добиться его увольнения; возможной причиной он называл желание депутатов избавиться от "злого кэгэбэшника", мешающего их корыстным интересам.
В июне 1991 года, после избрания Собчака мэром Санкт-Петербурга, Путин занял пост председателя Комитета мэрии по внешним связям, отвечал за международные связи и иностранные инвестиции.
Путин работал над широким кругом вопросов: закупки оборудования и продовольствия за рубежом, организация экспорта в обмен на продовольствие, получение городской администрацией зарубежных кредитов, организация тендеров на управление предприятиями для зарубежных фирм. С именем Путина связывают создание в Санкт-Петербурге валютной биржи, открытие BNP-Drezdner Bank (Rossija), одного из первых иностранных банков в России, продажу гостиницы "Астория".
Во время августовского путча 1991 года, как вспоминает сам Путин, он подал второй рапорт об отставке из КГБ (первый, поданный ранее, не был подписан) и благополучно вышел в отставку в звании подполковника. В СМИ сообщалось, что, выступив на стороне противников ГКЧП, Путин с усиленной охраной встретил возвращавшегося из Москвы Собчака.
В 1994 году Путин получил еще одну должность (в дополнение к должности председателя комитета мэрии): он стал первым заместителем председателя правительства Санкт-Петербурга. Продолжал руководить мерами по привлечению в город зарубежных инвестиций и компаний. Занимался вопросами зарубежных связей города (в частности с Финляндией, Эстонией), организацией международных коммерческих проектов, проблемами финансирования городского бюджета, федерального финансирования науки в городе, координацией деятельности подразделений ГУВД, вопросами регулирования игорного бизнеса. Одобрял территориальную экспансию Санкт-Петербурга, выступал за присоединение к городу его пригородов-"спутников". В 1996 году Путин называл своей основной целью привлечение иностранных инвестиций, прогрессивных технологий и передового зарубежного опыта для структурной перестройки экономики города, создания новых рабочих мест и строительства современной инфраструктуры. Путин уделял внимание вопросам геополитики. В 1996 году он резко выступил против расширения НАТО: "Я абсолютно убежден в том, что расширение НАТО на Восток негативно скажется на ситуации в Европе, и если кто-то хочет нового витка напряженности, то это - самый лучший способ его начала". Путин полагал, что прибалтийским государствам для обеспечения их безопасности необходимо не членство в Североатлантическом альянсе, а заключение двухсторонних договоров с Россией.
Первый заместитель мэра принимал участие в политической борьбе внутри страны. В 1995 году он возглавлял на парламентских выборах региональное отделение блока "Наш дом – Россия". По мнению наблюдателей, с этой работой Путин не справился и продемонстрировал полное незнание предвыборных технологий. От должности председателя совета Санкт-Петербургской региональной организации НДР Путин был освобожден в июне 1997 года. В 1996 году выступил в поддержку на парламентских выборах кандидатуры Бориса Ельцина. Также в 1996 году Путин участвовал в губернаторской избирательной кампании Собчака. В это время один из конкурентов Собчака, Александр Беляев, обвинял Путина в хозяйственных нарушениях и незаконном владении собственностью за рубежом. Беляев ранее обвинял Путина в "переносе методов работы спецслужб" в мэрию, а именно в продаже иностранцам информации об отечественных фирмах. В поражении Собчака на выборах некоторые обвиняли именно Путина: существовало мнение, будто он "предал" Собчака. Путин же утверждал, что с самого начала рекомендовал мэру привлечь для ведения предвыборной кампании профессионалов, но Собчак к совету не прислушался; истинной же причиной поражения Собчака стала поддержка, оказанная его конкуренту – Владимиру Яковлеву – из Москвы. После поражения Собчака на губернаторских выборах 1996 года Путин ушел в отставку со своих постов в правительстве Санкт-Петербурга.
Путин в администрации Собчака быстро приобрел репутацию исполнительного сотрудника. Он установил контакты с западными предпринимателями и добился привлечения в Санкт-Петербург значительных инвестиций. Кроме того, Путин играл ключевую роль посредника между Собчаком и депутатами городского парламента. Исследователи отмечают, что Путину в этот период удалось добиться очень большого влияния (ключевые решения в мэрии без его согласия не принимались, его даже называли «серым кардиналом»), но он предпочитал оставаться в тени.