2016
Am 14. Juli 2015 kündigte Ward an, dass sie in das Rennen um die republikanische Nominierung für den US-Senat in Arizona gegen den langjährigen Amtsinhaber John McCain eintreten würde, der von vielen politischen Analysten als Top-Ziel der Tea-Party-Bewegung und anderer republikanischer Konservativer angesehen wurde. Am 2. Dezember 2015 kündigte Ward an, dass sie gemäß den Rücktrittsgesetzen von Arizona mit Wirkung vom 15. Dezember aus dem Senat des Bundesstaates ausscheiden würde, um sich der Kandidatur für den US-Senat zu widmen. Ihre Nachfolgerin wurde Sue Donahue.
Am 11. Juli 2016 veröffentlichte Ward auf ihrer Facebook-Seite eine Anzeige, in der sie behauptete, John McCain, ihr Hauptgegner bei den republikanischen Vorwahlen zum Senat 2016, sei zu freundlich zu Außenministerin Hillary Clinton. In der Anzeige hieß es, dass sie in ihren politischen Überzeugungen nahezu identisch seien und dass sie in Fragen wie „Amnestie für illegale Einwanderer“, Ablehnung der Steuersenkungen von Präsident George W. Bush, einer Benzinsteuer und „Blockierung konservativer Richter“ „übereinstimmen“. Die Anzeige war eine identische Kopie einer 2008 veröffentlichten Anzeige des damaligen Präsidentschaftskandidaten Mitt Romney, mit dem Unterschied, dass Ward Romneys Zustimmungsbotschaft am Ende des Videos durch ihre eigene ersetzte. Romneys Anwälte setzten sich mit Ward und ihrer Kampagne in Verbindung und forderten sie auf, die weitere Verwendung des Spots zu unterlassen, mit der Begründung, dass Romney for President die Verwendung des Spots nicht genehmigt habe. Wards Kampagne hat die Ähnlichkeiten nicht bestritten und sagte Reportern, dass „Mitt Romney es richtig gemacht hat“. Stephen Sebastian, der Sprecher von Ward, fügte hinzu: „Wenn der Schuh passt, zieh ihn an. Die Substanz ist immer noch dieselbe. Manche Dinge ändern sich nie.“
Im August 2016 verlor Ward die Vorwahlen gegen McCain.
2018
Im Oktober 2016 kündigte Ward an, dass sie in den republikanischen Vorwahlen 2018 gegen den amtierenden Senator Jeff Flake (der später ankündigte, sich aus dem Senat zurückzuziehen) antreten würde. Ward kritisierte Flake als „Amnestie-Globalisten mit offenen Grenzen“ und bezeichnete sich selbst als „Amerikanerin, die die Mauer baut und die illegale Einwanderung stoppt“. Bei den Vorwahlen trat Ward gegen die US-Abgeordnete Martha McSally und den ehemaligen Sheriff von Maricopa County, Joe Arpaio, an. Arpaio und Ward galten als Konkurrenten für dieselbe Gruppe von Wählern in den Vorwahlen, da sie beide sehr konservativ und entschieden für Trump sind, während McSally eine gemäßigtere Haltung vertritt.
Im Juli 2017, nachdem bei McCain Hirnkrebs diagnostiziert wurde, sagte Ward, sie hoffe, dass McCain so schnell wie möglich zurücktreten werde. In einem Radiointerview sagte Ward: „Ich hoffe, dass Senator McCain sich die Sache gründlich ansieht, dass seine Familie und seine Berater sich die Sache ansehen und ihm raten, so schnell wie möglich zurückzutreten. Damit die Angelegenheiten des Landes und die Angelegenheiten von Arizona, das auf Bundesebene vertreten wird, weitergehen können. … Wir können nicht bis zu den Wahlen 2018 warten, um die Trump-Agenda zu erfüllen, die Grenze zu sichern und die illegale Einwanderung zu stoppen und Obamacare aufzuheben und die Wirtschaft in Ordnung zu bringen und die Veteranenverwaltung in Ordnung zu bringen, all diese Dinge müssen getan werden, und wir können nicht im Stillstand sein, während wir auf John McCain warten, um zu entscheiden, was er tun wird.“ Ward sagte, sie hoffe, dass der Gouverneur von Arizona in Erwägung ziehen würde, sie zu ernennen, um McCains Sitz zu besetzen.
Im August 2017 beeinflussten mehrere Ereignisse ihre Kampagne. Sie brachte ihre Unterstützung für die Begnadigung des ehemaligen Sheriffs Joe Arpaio durch Präsident Trump zum Ausdruck, der wegen strafbarer Missachtung des Gerichts verurteilt worden war. Der Milliardär Robert Mercer, der Wards Wahlkampf 2016 unterstützt hatte, kündigte an, dass er 300.000 Dollar an ein Super PAC spenden würde, das ihre Kandidatur 2018 unterstützen würde.
Ebenfalls in diesem Monat erschien eine Video-Angriffsanzeige, in der Ward beschuldigt wurde, der Chemtrail-Verschwörungstheorie zuzustimmen, und in der sie als „Chemtrail Kelli“ bezeichnet wurde. Der Werbespot wurde vom Senate Leadership Fund gesponsert, der dem Mehrheitsführer im Senat, Mitch McConnell, nahesteht, und war laut der Journalistin Clare Malone möglicherweise das erste Mal, dass Ward die Aufmerksamkeit „vieler Menschen außerhalb von Arizona“ erregte (eine Anzeige zum Thema Chemtrails und Ward erschien erstmals im Senatsrennen 2016 mit McCain). Politifact bewertete die Behauptung, Ward habe „eine Stadthalle zu ‚Chemtrail-Verschwörungstheorien‘ veranstaltet und sei offen für die Unterstützung von Chemtrail-Gesetzen“ als „größtenteils falsch“, und factcheck.org bezeichnete die Anzeige als „irreführend“. Ward kritisierte die Anzeige als „Sexismus, der konservativen Frauen vorbehalten ist“
Im Oktober 2017 wurde Ward vom ehemaligen Berater des Präsidenten, Steve Bannon, offiziell für ihre Kampagne 2018 unterstützt. Ward trat gemeinsam mit Bannon auf, um die Unterstützung zu verkünden. Sie wurde auch von Great America PAC unterstützt, das als „ein Arm des Team Bannon“ bezeichnet wurde. Bannon hat gesagt, er glaube, dass Ward den Bau einer Mauer an der Südgrenze der USA und die Aufhebung des Affordable Care Act unterstützen werde. Später versuchte Ward, sich von Bannon zu distanzieren, nachdem sich Bannon öffentlich mit Trump überworfen hatte, um dessen Unterstützung sich Ward laut The Arizona Republic ebenfalls bemühte. Im Januar 2018 sagte Ward: „Steve Bannon, ich weiß nicht, ob ich wirklich eine volle Unterstützung von Steve bekommen habe … Er ist nicht jemand, mit dem ich in irgendeiner Form Kontakt aufgenommen habe … Ich distanziere mich von Steve Bannon.“ Ward wurde auch von Sean Hannity, Laura Ingraham, dem Abgeordneten Steve King und Senator Rand Paul unterstützt.
Im Mai 2018 beschuldigte Joe Arpaio Ward, ihn dazu verleitet zu haben, aus der republikanischen Vorwahl auszusteigen, um im Gegenzug lukrative Rednerauftritte bei einer Pro-Trump-Gruppe zu erhalten; die Ward-Kampagne bestritt die Anschuldigung. Die Vorwahlen wurden als „umstritten“ beschrieben, und Ward weigerte sich zu sagen, ob sie McSally in der allgemeinen Wahl unterstützen würde, falls sie die republikanische Nominierung gewinnen sollte.
Im Juni 2018 berichtete die Arizona Republic, dass Wards Verbindungen zu kontroversen und konservativen Randfiguren ihre Kampagne untergraben würden. Während des Wahlkampfs desavouierte Ward Paul Nehlen, einen antisemitischen und antimuslimischen Kommentator, den sie zuvor gelobt und als „Freund“ bezeichnet hatte. Ward lobte Nehlen, als er 2016 erfolglos versuchte, den Sprecher des Repräsentantenhauses Paul Ryan abzusetzen. Sie trat bei mehreren Gelegenheiten zusammen mit Nehlen auf. Wards Ehemann, der auch als Wahlkampfhelfer tätig war, hat Verschwörungstheorien über Seth Rich, die Clintons, die Menschen ermorden, und John McCain, der mit dem Islamischen Staat zusammenarbeitet, verbreitet. Im August 2018 kündigte Ward eine Wahlkampf-Bustour mit Mike Cernovich an, einer alt-rechten Medienpersönlichkeit und Verschwörungstheoretikerin. Cernovich hatte die Pizzagate-Verschwörungstheorie propagiert und fälschlicherweise die Existenz eines weit verbreiteten pädophilen Netzwerks innerhalb der Clinton-Kampagne behauptet, dessen Existenz Ward nicht bestreiten wollte. Als Ward gefragt wurde, ob sie mit Cernovichs Überzeugungen übereinstimme, sagte sie, dass sie nicht viel über seine Ansichten wisse.
Am 24. August 2018, dem Tag der Ankündigung, dass Senator John McCain seine medizinische Behandlung wegen Hirntumors im Endstadium einstellt, fragte einer von Wards Wahlkampfmitarbeitern auf Facebook, ob die Ankündigung „ein Plan war, um die Medienaufmerksamkeit von der Kampagne abzulenken“, und zwar am „Auftakttag von Kelli Wards Bustour“. Daraufhin schrieb Ward: „Ich denke, sie wollten eine bestimmte Darstellung, von der sie hoffen, dass sie negativ für mich ist.“ McCain starb Stunden nach Wards erstem Kommentar, der gelöscht oder aus der Öffentlichkeit entfernt wurde. Ward machte dann einen Folgekommentar (später ebenfalls gelöscht oder versteckt), dass die „Medien eine Erzählung lieben … es sind die Medien, die etwas aus dem Nichts machen.“
Ward wurde von Martha McSally in den republikanischen Vorwahlen vom 28. August 2018 besiegt, wobei er 28 % der Stimmen erhielt, McSally 52 % und Arpaio 19 %.