2016
Den 14 juli 2015 meddelade Ward att hon skulle gå in i tävlingen om den republikanska nomineringen till USA:s senat i Arizona, mot den mångårige sittande presidenten John McCain, som av många politiska analytiker betraktades som en av Tea Party-rörelsens och andra republikanska konservativas främsta måltavlor. Den 2 december 2015 meddelade Ward att hon i enlighet med Arizonas lagar om att avgå från delstatens senat, med verkan från den 15 december, för att ägna sin tid åt att kandidera till den amerikanska senaten. Hon efterträddes av Sue Donahue.
Den 11 juli 2016 publicerade Ward en annons på sin Facebook-sida där hon sa att John McCain, hennes primära motståndare i det republikanska primärvalet till senaten 2016, var alltför vänligt inställd till minister Hillary Clinton. I annonsen stod det att de var nästan identiska i sin politiska övertygelse och att ”de är överens” i frågor som ”amnesti för illegala invandrare”, att de motsätter sig president George W. Bushs skattesänkningar, en bensinskatt och att de ”blockerar konservativa domare”. Annonsen var en identisk kopia av en annons från 2008 som publicerades av den dåvarande presidentkandidaten Mitt Romney, förutom att Ward ersatte Romneys godkännande budskap i slutet av videon med sitt eget. Romneys advokater kontaktade Ward och hennes kampanj och beordrade henne att upphöra med all fortsatt användning av annonsen och uppgav att Romney for President inte hade godkänt någon användning av annonsen. Wards kampanj bestred inte likheterna och sade till journalister att ”Mitt Romney har rätt”. Stephen Sebastian, Wards talesman, tillade: ”Om skon passar, ta på den. Innehållet är fortfarande detsamma. Vissa saker förändras aldrig.”
I augusti 2016 förlorade Ward primärvalet mot McCain.
2018
I oktober 2016 meddelade Ward att hon skulle ställa upp i 2018 års republikanska primärval mot den sittande senatorn Jeff Flake (som senare meddelade att han skulle dra sig tillbaka från senaten). Ward kritiserade Flake för att vara ”en globalist med öppna gränser och amnesti” och beskrev sig själv som ”en amerikanist som bygger muren och stoppar olaglig invandring”. I primärvalet ställdes Ward mot den amerikanska representanten Martha McSally och den tidigare sheriffen i Maricopa County Joe Arpaio. Arpaio och Ward ansågs stå i konkurrens om samma grupp av primärvalsväljare, eftersom de båda är mycket konservativa och övertygade pro-Trump, medan McSally har en mer moderat meritlista.
I juli 2017, efter att McCain diagnostiserats med hjärncancer, sade Ward att hon hoppades att McCain skulle avgå så snabbt som möjligt. Ward sade i en radiointervju: ”Jag hoppas att senator McCain kommer att titta länge och noga på detta, att hans familj och hans rådgivare kommer att titta på detta, och att de kommer att råda honom att avgå så snabbt som möjligt. Så att landets verksamhet och Arizonas representation på federal nivå kan fortsätta. … Vi kan inte ha till valet 2018 att vänta på att genomföra Trumps agenda, att säkra gränsen och stoppa den illegala invandringen och upphäva Obamacare och fixa ekonomin och fixa veteranadministrationen, alla dessa saker måste göras och vi kan inte stå stilla medan vi väntar på att John McCain ska bestämma vad han ska göra.” Ward sade att hon hoppades att Arizonas guvernör skulle överväga att utse henne för att fylla McCains plats.
I augusti 2017 påverkade flera händelser hennes kampanj. Hon uttryckte sitt stöd för president Trumps benådning av den tidigare sheriffen Joe Arpaio, som hade dömts för brottsligt förakt mot domstol. Miljardären Robert Mercer – som hade stött Wards kampanj 2016 – meddelade att han skulle donera 300 000 dollar till en Super PAC som stödde hennes kandidatur 2018.
Också den månaden dök en videoattackannons upp där Ward anklagades för att hålla med om konspirationsteorin om chemtrails och där hon omnämndes som ”Chemtrail Kelli”. Annonsen sponsrades av Senate Leadership Fund, som står i linje med senatens majoritetsledare Mitch McConnell, och kan ha varit första gången Ward uppmärksammades av ”många utanför Arizona” enligt journalisten Clare Malone, (en annons på temat chemtrails och Ward dök upp för första gången i senatsvalet med McCain 2016). Politifact bedömde påståendet att Ward ”var värd för ett rådhus om ’konspirationsteorier om chemtrails’ och är öppen för att sponsra lagstiftning om chemtrails” som ”mestadels falskt”, och factcheck.org betecknade annonsen som ”vilseledande”. Ward kritiserade annonsen för att visa på ”sexism som är reserverad för konservativa kvinnor.”
I oktober 2017 fick Ward formellt stöd av presidentens tidigare chefsrådgivare Steve Bannon i sin kampanj 2018. Ward uppträdde tillsammans med Bannon för att tillkännage stödet. Hon fick också stöd av Great America PAC, som har beskrivits som ”en gren av Team Bannon”. Bannon har sagt att han tror att Ward kommer att hjälpa till att bygga en mur vid USA:s södra gräns och upphäva Affordable Care Act. Ward försökte senare ta avstånd från Bannon i efterdyningarna av Bannons offentliga bråk med Trump, vars stöd Ward också sökte, enligt The Arizona Republic. I januari 2018 sade Ward följande: ”Steve Bannon, jag vet inte om jag faktiskt fick ett fullständigt stöd från Steve … Han är inte någon som jag har nått ut till och pratat med på något sätt, i någon form … Jag tar avstånd från Steve Bannon.” Ward fick också stöd av Sean Hannity, Laura Ingraham, representant Steve King och senator Rand Paul.
I maj 2018 anklagade Joe Arpaio Ward för att ha lockat honom att avstå från det republikanska primärvalet i utbyte mot lukrativa talaruppdrag med en pro-Trump-grupp; Wards kampanj förnekade anklagelsen. Primärvalet beskrevs som ”omtvistat” och Ward vägrade att säga om hon skulle stödja McSally i det allmänna valet om hon skulle vinna den republikanska nomineringen.
I juni 2018 rapporterade The Arizona Republic att Wards band till kontroversiella och marginella konservativa personer underminerade hennes kampanj. Under kampanjen tog Ward avstånd från Paul Nehlen, en antisemitisk och antimuslimsk kommentator som hon tidigare hade lovordat och beskrivit som en ”vän”. Ward berömde Nehlen när han utan framgång försökte avsätta parlamentets talman Paul Ryan 2016. Hon uppträdde tillsammans med Nehlen vid ett antal tillfällen. Wards make, som också var kampanjsurrogat, har främjat konspirationsteorier om Seth Rich, att Clintons mördar människor och att John McCain samarbetar med Islamiska staten. I augusti 2018 tillkännagav Ward en kampanjbussturné med Mike Cernovich, en alt-right mediepersonlighet och konspirationsteoretiker. Cernovich hade främjat konspirationsteorin Pizzagate, där han felaktigt påstod att det fanns ett utbrett pedofilnätverk inom Clinton-kampanjen, vars existens Ward vägrade att förneka. När Ward fick frågan om hon höll med om Cernovichs åsikter svarade hon att hon inte visste så mycket om hans åsikter.
Den 24 augusti 2018, dagen för tillkännagivandet att senator John McCain skulle upphöra med den medicinska behandlingen för obotlig hjärncancer, ifrågasatte en av Wards kampanjanställda på Facebook om tillkännagivandet ”var en plan för att ta mediernas uppmärksamhet från kampanjen” på ”kickoff-dagen för Kelli Wards bussturné”. Som svar skrev Ward: ”Jag tror att de ville ha en viss berättelse som de hoppas är negativ för mig”. McCain dog timmar efter Wards första kommentar, som raderades eller togs bort från offentlig visning. Ward gjorde sedan en uppföljande kommentar (som senare också raderades eller gömdes) om att ”medierna älskar ett narrativ … det är medierna som gör något av ingenting.”
Ward besegrades av Martha McSally i det republikanska primärvalet den 28 augusti 2018 och fick 28 procent av rösterna mot McSallys 52 procent och Arpaios 19 procent.