2016
El 14 de julio de 2015, Ward anunció que se presentaría a la carrera por la nominación republicana al Senado de los Estados Unidos en Arizona, contra el veterano titular John McCain, considerado por muchos analistas políticos como un objetivo principal del movimiento Tea Party y por otros conservadores republicanos. El 2 de diciembre de 2015, Ward anunció que, de acuerdo con las leyes de renuncia a la candidatura de Arizona, renunciaría al senado estatal, a partir del 15 de diciembre, para dedicar su tiempo a la candidatura al Senado de Estados Unidos. La sucedió Sue Donahue.
El 11 de julio de 2016, Ward publicó un anuncio en su página de Facebook en el que decía que John McCain, su principal oponente para las elecciones primarias republicanas al Senado de 2016, era demasiado amigo de la secretaria Hillary Clinton. El anuncio decía que eran casi idénticos en sus creencias políticas, afirmando que «están de acuerdo» en temas como la «amnistía para los inmigrantes ilegales», la oposición a los recortes de impuestos del presidente George W. Bush, un impuesto sobre la gasolina y el «bloqueo de los jueces conservadores.» El anuncio era una copia idéntica de un anuncio de 2008 publicado por el entonces candidato presidencial Mitt Romney, salvo que Ward sustituyó el mensaje de aprobación de Romney al final del vídeo por el suyo propio. Los abogados de Romney se pusieron en contacto con Ward y su campaña para ordenarle que dejara de utilizar el anuncio, afirmando que Romney for President no había autorizado su uso. La campaña de Ward no discutió las similitudes, diciendo a los periodistas que «Mitt Romney lo hizo bien». Stephen Sebastian, portavoz de Ward, añadió: «Si el zapato te queda bien, úsalo. La sustancia sigue siendo la misma. Algunas cosas nunca cambian».
En agosto de 2016, Ward perdió las primarias frente a McCain.
2018
En octubre de 2016, Ward anunció que se presentaría a las primarias republicanas de 2018 contra el actual senador Jeff Flake (que posteriormente anunció que se retiraría del Senado). Ward criticó a Flake por ser «un globalista de fronteras abiertas y amnistía», describiéndose a sí misma como «una americanista de construir el muro y detener la inmigración ilegal». En las primarias, Ward se enfrentó a la diputada Martha McSally y al ex sheriff del condado de Maricopa Joe Arpaio. Se consideraba que Arpaio y Ward se disputaban el mismo grupo de votantes de las primarias, ya que ambos son muy conservadores y están firmemente a favor de Trump, mientras que McSally tiene un historial más moderado.
En julio de 2017, después de que McCain fuera diagnosticado con cáncer cerebral, Ward dijo que esperaba que McCain dimitiera lo antes posible. Ward dijo en una entrevista radiofónica: «Espero que el senador McCain analice mucho esto, que su familia y sus asesores lo analicen y le aconsejen que se aleje lo antes posible. Para que los asuntos del país y los asuntos de Arizona representados a nivel federal puedan seguir adelante. … No podemos tener hasta las elecciones de 2018, esperando para lograr la agenda de Trump, para asegurar la frontera y detener la inmigración ilegal y derogar el Obamacare y arreglar la economía y arreglar la administración de los veteranos, todas esas cosas deben hacerse y no podemos estar en un punto muerto mientras esperamos que John McCain determine lo que va a hacer.» Ward dijo que esperaba que el gobernador de Arizona considerara nombrarla para ocupar el puesto de McCain.
En agosto de 2017, varios eventos afectaron su campaña. Expresó su apoyo al indulto del presidente Trump al ex sheriff Joe Arpaio, que había sido condenado por desacato penal. El multimillonario Robert Mercer -que había apoyado la campaña de Ward en 2016- anunció que donaría 300.000 dólares a un Super PAC que apoyaba su candidatura en 2018.
También en ese mes, apareció un anuncio de ataque en vídeo en el que se acusaba a Ward de estar de acuerdo con la teoría de la conspiración de los chemtrails y se refería a ella como «Chemtrail Kelli». El anuncio fue patrocinado por el Fondo de Liderazgo del Senado, alineado con el líder de la mayoría del Senado, Mitch McConnell, y puede haber sido la primera vez que Ward llamó la atención de «muchos fuera de Arizona», según la periodista Clare Malone, (un anuncio sobre el tema de los chemtrails y Ward apareció por primera vez en la carrera al Senado de 2016 con McCain). Politifact calificó la afirmación de que Ward «organizó un ayuntamiento sobre ‘teorías de conspiración de los chemtrails’ y está abierto a patrocinar la legislación sobre los chemtrails» como «mayormente falsa», y factcheck.org etiquetó el anuncio como «engañoso.» Ward criticó el anuncio por demostrar un «sexismo reservado a las mujeres conservadoras».
En octubre de 2017, Ward recibió el apoyo formal del exconsejero principal del presidente Steve Bannon para su campaña de 2018. Ward apareció junto a Bannon para anunciar el respaldo. También fue respaldada por Great America PAC, que ha sido descrito como «un brazo del equipo Bannon». Bannon ha dicho que cree que Ward ayudará a construir un muro en la frontera sur de Estados Unidos y a derogar la Ley de Asistencia Asequible. Más tarde, Ward intentó distanciarse de Bannon tras el desencuentro público de Bannon con Trump, cuyo respaldo también buscaba Ward, según The Arizona Republic. En enero de 2018, Ward dijo: «Steve Bannon, no sé si realmente obtuve un respaldo completo de Steve … No es alguien con quien me haya acercado y hablado de ninguna manera, forma o manera … Me estoy distanciando de Steve Bannon». Ward también fue respaldado por Sean Hannity, Laura Ingraham, el representante Steve King y el senador Rand Paul.
En mayo de 2018, Joe Arpaio acusó a Ward de haberlo seducido para que se retirara de las primarias republicanas a cambio de lucrativas charlas con un grupo pro-Trump; la campaña de Ward negó la acusación. Las primarias se describieron como «polémicas», y Ward se negó a decir si apoyaría a McSally en las elecciones generales en caso de que ganara la nominación republicana.
En junio de 2018, The Arizona Republic informó que los vínculos de Ward con figuras conservadoras controvertidas y marginales estaban socavando su campaña. Durante la campaña, Ward renegó de Paul Nehlen, un comentarista antisemita y antimusulmán al que previamente había elogiado y descrito como «amigo». Ward elogió a Nehlen cuando intentó sin éxito desbancar al presidente de la Cámara de Representantes, Paul Ryan, en 2016. Apareció junto a Nehlen en varias ocasiones. El marido de Ward, que también fue un sustituto de la campaña, ha promovido teorías conspirativas sobre Seth Rich, los Clinton asesinando a gente y John McCain cooperando con el Estado Islámico. En agosto de 2018, Ward anunció una gira de autobuses de campaña con Mike Cernovich, una personalidad de los medios de comunicación de extrema derecha y teórico de la conspiración. Cernovich había promovido la teoría de la conspiración del Pizzagate, alegando falsamente la existencia de una red de pedofilia generalizada dentro de la campaña de Clinton, cuya existencia Ward se negó a negar. Cuando se le preguntó a Ward si estaba de acuerdo con las creencias de Cernovich, dijo que no sabía mucho sobre sus puntos de vista.
El 24 de agosto de 2018, el día del anuncio de que el senador John McCain dejaba el tratamiento médico por un cáncer cerebral terminal, uno de los empleados de la campaña de Ward cuestionó en Facebook si el anuncio «era un plan para apartar la atención de los medios de comunicación de la campaña» en «el día de inicio de la gira en autobús de Kelli Ward». En respuesta, Ward escribió: «Creo que querían tener una narrativa particular que esperan que sea negativa para mí». McCain murió horas después del comentario inicial de Ward, que fue borrado o retirado de la vista del público. Ward luego hizo un comentario de seguimiento (más tarde también borrado u oculto) que los «medios de comunicación aman una narrativa … son los medios de comunicación haciendo algo de la nada».
Ward fue derrotado por Martha McSally en las primarias republicanas del 28 de agosto de 2018, recibiendo el 28% de los votos contra el 52% de McSally y el 19% de Arpaio.