2016
14. července 2015 Wardová oznámila, že vstupuje do boje o republikánskou nominaci do Senátu USA v Arizoně proti dlouholetému prezidentovi Johnu McCainovi, který byl mnoha politology považován za hlavní cíl hnutí Tea Party a dalších republikánských konzervativců. Dne 2. prosince 2015 Wardová oznámila, že podle arizonských zákonů o rezignaci na kandidaturu odstoupí s účinností od 15. prosince ze státního senátu, aby se mohla věnovat kandidatuře do Senátu USA. Její nástupkyní se stala Sue Donahueová.
11. července 2016 Wardová na své facebookové stránce zveřejnila inzerát, v němž uvedla, že John McCain, její hlavní soupeř v republikánských primárkách do Senátu v roce 2016, se příliš přátelí s ministryní Hillary Clintonovou. V reklamě se uvádělo, že jejich politické názory jsou téměř totožné, a tvrdilo se, že „se shodují“ v otázkách, jako je „amnestie pro nelegální přistěhovalce“, odpor proti snížení daní prezidenta George W. Bushe, daň z benzínu a „blokování konzervativních soudců“. Reklama byla identickou kopií reklamy z roku 2008, kterou zveřejnil tehdejší prezidentský kandidát Mitt Romney, s tím rozdílem, že Wardová na konci videa nahradila Romneyho souhlasný vzkaz svým vlastním. Romneyho právníci kontaktovali Wardovou a její kampaň a nařídili jí, aby přestala reklamu dále používat, a uvedli, že Romney for President nedal k jejímu použití souhlas. Wardové kampaň podobnost nepopřela a novinářům řekla, že „Mitt Romney to pochopil správně“. Stephen Sebastian, mluvčí Wardové, dodal: „Pokud vám bota padne, obujte si ji. Podstata je stále stejná. Některé věci se nikdy nemění.“
V srpnu 2016 Ward prohrál primárky s McCainem.
2018
V říjnu 2016 Ward oznámil, že bude v republikánských primárkách v roce 2018 kandidovat proti současnému senátorovi Jeffu Flakovi (který později oznámil, že odchází ze Senátu). Wardová kritizovala Flakea za to, že je „globalistou otevřených hranic a amnestie“, a sama sebe označila za „amerikanistku, která staví zeď a zastavuje nelegální imigraci“. V primárkách se Wardová utkala s americkou poslankyní Marthou McSallyovou a bývalým šerifem okresu Maricopa Joem Arpaiem. Arpaio a Wardová byli považováni za uchazeče o stejnou skupinu voličů v primárkách, neboť oba jsou silně konzervativní a rozhodně protrumpovští, zatímco McSallyová je umírněnější.
V červenci 2017, poté co byla McCainovi diagnostikována rakovina mozku, Wardová uvedla, že doufá, že McCain co nejrychleji odstoupí. Wardová v rozhlasovém rozhovoru řekla: „Doufám, že senátor McCain se na to bude dlouho a důkladně dívat, že se na to podívá jeho rodina a jeho poradci a poradí mu, aby co nejrychleji odstoupil. Aby se záležitosti země a záležitosti Arizony, která je zastoupena na federální úrovni, mohly pohnout kupředu. … Nemůžeme až do voleb v roce 2018 čekat, až se podaří splnit Trumpovu agendu, zabezpečit hranice a zastavit nelegální přistěhovalectví a zrušit Obamacare a napravit ekonomiku a napravit správu veteránů, všechny tyto věci je třeba udělat a nemůžeme být na mrtvém bodě a čekat, až se John McCain rozhodne, co bude dělat.“ Wardová uvedla, že doufá, že arizonský guvernér zváží její jmenování na McCainovo místo.
V srpnu 2017 ovlivnilo její kampaň několik událostí. Vyjádřila podporu omilostnění bývalého šerifa Joea Arpaia, který byl odsouzen za pohrdání soudem, prezidentem Trumpem. Miliardář Robert Mercer – který podpořil kampaň Wardové v roce 2016 – oznámil, že věnuje 300 000 dolarů na Super PAC podporující její kandidaturu v roce 2018.
V tomtéž měsíci se také objevila útočná videoreklama obviňující Wardovou ze souhlasu s konspirační teorií chemtrails a označující ji jako „Chemtrail Kelli“. Reklamu sponzoroval Senate Leadership Fund, spojený s vůdcem senátní většiny Mitchem McConnellem, a podle novinářky Clare Maloneové to bylo možná poprvé, kdy se Wardová dostala do povědomí „mnoha lidí mimo Arizonu“ (reklama na téma chemtrails a Wardová se poprvé objevila v senátním souboji s McCainem v roce 2016). Politifact ohodnotil tvrzení, že Ward „pořádal radnici o ‚konspiračních teoriích o chemtrails‘ a je otevřený sponzorování legislativy o chemtrails“, jako „většinou nepravdivé“ a factcheck.org označil inzerát za „zavádějící“. Wardová kritizovala reklamu jako projev „sexismu vyhrazeného konzervativním ženám“.
V říjnu 2017 Wardovou v její kampani v roce 2018 oficiálně podpořil bývalý starší poradce prezidenta Steve Bannon. Wardová vystoupila společně s Bannonem, aby tuto podporu oznámila. Podpořila ji také organizace Great America PAC, která byla označena za „odnož Bannonova týmu“. Bannon uvedl, že podle něj Wardová pomůže postavit zeď na jižní hranici USA a zrušit zákon o dostupné zdravotní péči. Podle listu The Arizona Republic se Wardová později snažila od Bannona distancovat poté, co se Bannon veřejně rozešel s Trumpem, o jehož podporu Wardová rovněž usilovala. V lednu 2018 Wardová prohlásila: „Steve Bannon, nevím, jestli jsem skutečně dostala plnou podporu od Steva …. Není to někdo, koho bych jakýmkoli způsobem oslovil a mluvil s ním … Od Steva Bannona se distancuji.“ Warda podpořili také Sean Hannity, Laura Ingrahamová, poslanec Steve King a senátor Rand Paul.
V květnu 2018 Joe Arpaio obvinil Warda, že ho lákal, aby se vzdálil republikánských primárek výměnou za lukrativní vystoupení v protrumpovské skupině; Wardova kampaň toto obvinění popřela. Primárky byly popsány jako „sporné“, přičemž Wardová odmítla říci, zda by McSallyovou podpořila ve všeobecných volbách, pokud by získala republikánskou nominaci.
V červnu 2018 deník The Arizona Republic uvedl, že Wardové vazby na kontroverzní a okrajové konzervativní osobnosti podkopávají její kampaň. Během kampaně se Wardová zřekla Paula Nehlena, antisemitského a protimuslimského komentátora, kterého dříve chválila a označovala za svého „přítele“. Wardová Nehlena chválila, když se v roce 2016 neúspěšně snažil sesadit předsedu Sněmovny reprezentantů Paula Ryana. S Nehlenem vystupovala při několika příležitostech společně. Manžel Wardové, který byl rovněž náhradníkem v kampani, propagoval konspirační teorie o Sethu Richovi, vraždění lidí Clintonovými a spolupráci Johna McCaina s Islámským státem. V srpnu 2018 Wardová ohlásila předvolební autobusové turné, na kterém vystoupil Mike Cernovich, alt-rightová mediální osobnost a konspirační teoretik. Cernovich propagoval konspirační teorii Pizzagate a nepravdivě tvrdil, že v rámci kampaně Clintonové existuje rozsáhlá pedofilní síť, jejíž existenci Ward odmítl popřít. Když byla Wardová dotázána, zda souhlasí s Cernovichovým přesvědčením, odpověděla, že o jeho názorech mnoho neví.
Dne 24. srpna 2018, v den oznámení, že senátor John McCain ukončuje léčbu nevyléčitelné rakoviny mozku, se jeden z pracovníků kampaně Wardové na Facebooku zeptal, zda toto oznámení „není plánem, jak odvést pozornost médií od kampaně“ v „den zahájení autobusového turné Kelli Wardové“. Wardová v odpovědi napsala: „Myslím, že chtěli mít určitý narativ, který, jak doufají, je pro mě negativní.“ McCain zemřel několik hodin po Wardově prvním komentáři, který byl smazán nebo odstraněn z veřejného zobrazení. Ward poté učinil následný komentář (později rovněž smazaný nebo skrytý), že „média milují narativ … jsou to média, která dělají něco z ničeho.“
Ward byl v republikánských primárkách 28. srpna 2018 poražen Martou McSallyovou, když získal 28 % hlasů oproti 52 % McSallyové a 19 % Arpaiovi.