2016
Den 14. juli 2015 meddelte Ward, at hun ville gå ind i kampen om den republikanske nominering til det amerikanske senat i Arizona mod den mangeårige siddende præsident John McCain, der af mange politiske analytikere blev betragtet som et af Tea Party-bevægelsens og andre republikanske konservatives hovedmål for Tea Party-bevægelsen. Den 2. december 2015 meddelte Ward, at hun i henhold til Arizonas love om at træde tilbage fra delstatssenatet med virkning fra den 15. december for at hellige sig sin tid til at stille op til kandidatur til det amerikanske senat. Hun blev efterfulgt af Sue Donahue.
Den 11. juli 2016 offentliggjorde Ward en annonce på sin Facebook-side, hvori hun sagde, at John McCain, hendes primære modstander ved det primære republikanske senatsvalg i 2016, var for venligsindet over for minister Hillary Clinton. I annoncen stod der, at de var næsten identiske i deres politiske overbevisning, og det fremgik af annoncen, at “de er enige” om emner som “amnesti til illegale indvandrere”, modstand mod præsident George W. Bushs skattelettelser, en benzinskat og “blokering af konservative dommere”. Annoncen var en identisk kopi af en annonce fra 2008, der blev offentliggjort af den daværende præsidentkandidat Mitt Romney, bortset fra at Ward erstattede Romneys godkendelsesbudskab i slutningen af videoen med sit eget. Romneys advokater kontaktede Ward og hendes kampagne og beordrede hende til at ophøre med enhver yderligere brug af reklamen og erklærede, at Romney for President ikke havde givet tilladelse til at bruge reklamen. Wards kampagne bestred ikke lighederne og sagde til journalisterne, at “Mitt Romney havde ret”. Stephen Sebastian, Wards talsmand, tilføjede: “Hvis skoen passer, så tag den på. Stoffet er stadig det samme. Nogle ting ændrer sig aldrig.”
I august 2016 tabte Ward primærvalget til McCain.
2018
I oktober 2016 meddelte Ward, at hun ville stille op til det republikanske primærvalg i 2018 mod den siddende senator Jeff Flake (som senere meddelte, at han ville trække sig tilbage fra senatet). Ward kritiserede Flake for at være “en open-borders, amnesty-globalist” og beskrev sig selv som “en build-the-wall, stop-illegal-immigration-amerikanist”. I primærvalget stod Ward over for den amerikanske repræsentant Martha McSally og den tidligere sherif i Maricopa County, Joe Arpaio. Arpaio og Ward blev anset for at være i konkurrence om den samme gruppe af primærvælgere, da de begge er meget konservative og trofaste pro-Trump-vælgere, mens McSally har en mere moderat baggrund.
I juli 2017, efter at McCain blev diagnosticeret med hjernekræft, sagde Ward, at hun håbede, at McCain ville træde tilbage så hurtigt som muligt. Ward sagde i et radiointerview: “Jeg håber, at senator McCain vil se længe og grundigt på dette, at hans familie og hans rådgivere vil se på dette, og at de vil råde ham til at træde tilbage så hurtigt som muligt. Så landets forretninger og Arizonas repræsentation på føderalt plan kan komme videre. … Vi kan ikke have indtil valget i 2018 at vente på at gennemføre Trumps dagsorden, at sikre grænsen og stoppe den ulovlige indvandring og ophæve Obamacare og rette op på økonomien og rette op på veteranadministrationen, alle disse ting skal gøres, og vi kan ikke stå stille, mens vi venter på, at John McCain beslutter, hvad han vil gøre.” Ward sagde, at hun håbede, at Arizonas guvernør ville overveje at udpege hende til at udfylde McCains plads.
I august 2017 påvirkede flere begivenheder hendes kampagne. Hun udtrykte sin støtte til præsident Trumps benådning af den tidligere sherif Joe Arpaio, som var blevet dømt for strafferetlig foragt for retten. Milliardæren Robert Mercer – som havde støttet Wards kampagne i 2016 – meddelte, at han ville donere 300.000 dollars til et Super PAC, der støtter hendes kandidatur i 2018.
Også i samme måned dukkede der en videoangrebsspot op, der beskyldte Ward for at være enig i konspirationsteorien om chemtrails og omtalte hende som “Chemtrail Kelli”. Reklamen blev sponsoreret af Senate Leadership Fund, der er på linje med senatets flertalsleder Mitch McConnell, og kan have været første gang, Ward kom til opmærksomhed hos “mange uden for Arizona” ifølge journalisten Clare Malone, (en annonce om chemtrails og Ward dukkede først op i senatskapløbet med McCain i 2016). Politifact vurderede påstanden om, at Ward “var vært for et rådhus om ‘konspirationsteorier om chemtrails’ og er åben for at sponsorere lovgivning om chemtrails” som “overvejende falsk”, og factcheck.org betegnede annoncen som “vildledende”. Ward kritiserede annoncen for at demonstrere “sexisme, der er forbeholdt konservative kvinder.”
I oktober 2017 blev Ward formelt støttet af den tidligere seniorrådgiver for præsidenten Steve Bannon i hendes 2018-kampagne. Ward optrådte sammen med Bannon for at annoncere opbakningen. Hun blev også støttet af Great America PAC, som er blevet beskrevet som “en arm af Team Bannon”. Bannon har sagt, at han mener, at Ward vil hjælpe med at bygge en mur på USA’s sydlige grænse og ophæve Affordable Care Act. Ward forsøgte senere at tage afstand fra Bannon i kølvandet på Bannons offentlige skænderi med Trump, hvis opbakning Ward også søgte, ifølge The Arizona Republic. I januar 2018 sagde Ward: “Steve Bannon, jeg ved ikke, at jeg faktisk virkelig fik en fuld opbakning fra Steve … Han er ikke en person, som jeg har nået ud og talt med på nogen måde, form eller form … Jeg tager afstand fra Steve Bannon.” Ward blev også støttet af Sean Hannity, Laura Ingraham, rep. Steve King og senator Rand Paul.
I maj 2018 beskyldte Joe Arpaio Ward for at have lokket ham til at trække sig fra det republikanske primærvalg i bytte for lukrative taleopgaver med en pro-Trump-gruppe; Ward-kampagnen benægtede beskyldningen. Primærvalget blev beskrevet som “omstridt”, og Ward nægtede at sige, om hun ville støtte McSally i det almindelige valg, hvis hun vandt den republikanske nominering.
I juni 2018 rapporterede The Arizona Republic, at Wards forbindelser til kontroversielle og marginale konservative personer var ved at underminere hendes kampagne. Under valgkampen tog Ward afstand fra Paul Nehlen, en antisemitisk og antimuslimsk kommentator, som hun tidligere havde rost og beskrevet som en “ven”. Ward roste Nehlen, da han forgæves forsøgte at vælte formanden for Repræsentanternes Hus, Paul Ryan, i 2016. Hun optrådte sammen med Nehlen ved en række lejligheder. Wards mand, som også var kampagnesurrogat, har promoveret konspirationsteorier om Seth Rich, Clintons mord på folk og John McCain, der samarbejder med Islamisk Stat. I august 2018 annoncerede Ward en kampagnebustur med Mike Cernovich, en alt-højre mediepersonlighed og konspirationsteoretiker. Cernovich havde promoveret Pizzagate-konspirationsteorien, der fejlagtigt hævdede eksistensen af et udbredt pædofilinetværk inden for Clinton-kampagnen, hvis eksistens Ward nægtede at benægte. Da Ward blev spurgt, om hun var enig i Cernovichs holdninger, sagde hun, at hun ikke vidste meget om hans synspunkter.
Den 24. august 2018, dagen for meddelelsen om, at senator John McCain indstillede sin medicinske behandling for uhelbredelig hjernekræft, spurgte en af Wards kampagnemedarbejdere på Facebook, om meddelelsen “var en plan for at fjerne mediernes opmærksomhed fra kampagnen” på “kickoff-dagen for Kelli Wards busturné”. Som svar skrev Ward: “Jeg tror, at de ønskede at have en bestemt fortælling, som de håber er negativ over for mig.” McCain døde timer efter Wards første kommentar, som blev slettet eller fjernet fra offentlig visning. Ward kom derefter med en opfølgende kommentar (senere også slettet eller skjult) om, at “medierne elsker en fortælling … det er medierne, der laver noget ud af ingenting.”
Ward blev besejret af Martha McSally i det republikanske primærvalg den 28. august 2018, hvor han fik 28 % af stemmerne mod McSally’s 52 % og Arpaio’s 19 %.