לאחר שנבחר למועמד המפלגה הדמוקרטית לסגן הנשיא, ביידן היה נתון לביקורת מטעם האחראי על הדיוקסיה הקתולית של וילמינגטון, הבישוף מייקל אנג'לו סלטרלי, על אי-התנגדותו של ביידן להפלות מלאכותיות. אנשי הדת אישרו כי אם ייבחר לסגן הנשיא, ביידן לא יורשה לשאת דברים בבתי ספר קתוליים. עד מהרה נאסר על ביידן לערוך את סקרמנט האויכריסטה (Eucharist) על ידי הבישוף של עיר הולדתו סקרנטון שבפנסילבניה, בשל תמיכתו בזכויות הפלה. חרף זאת, ביידן המשיך לקבל את הסקרמנט (פולחן דתי נוצרי שבו מציינים את סעודתו האחרונה של ישו על ידי קידוש לחם ויין) בקהילת הכנסייה המקומית שלו בדלאוור. ההחלטה בסקרנטון הפכה לנקודת מחלוקת בתחרות על מצביעים קתולים במדינות מתנדנדות. היא עוררה ויכוח בין קבוצות קתוליות ליברליות, שסברו כי נושאים חברתיים אחרים צריכים להיחשב כיותר חשובים או שווי ערך לענייני הפלות, לבין קתולים שמרניים יותר שסברו שנושא ההפלות הוא בעל חשיבות מכרעת. ביידן אמר שהוא מאמין שהחיים החלו בהפריה, אבל הוא לא יכפה את השקפותיו הדתיות האישיות על אחרים.
קמפיין סגן הנשיאות של ביידן זכה לתשומת לב עיתונאית מעטה יחסית, שכן מרבית העיתונות התמקדה במועמדת הרפובליקנית לסגנית הנשיא, מושלת אלסקה שרה פיילין. כך למשל, במהלך שבוע אחד בספטמבר 2008, מצא המיזם לעיתונאות מצוינת של מרכז המחקר Pew כי שמו של ביידן נכלל רק בחמישה אחוזים מהסיקור החדשותי של המירוץ הנשיאותי, הרבה פחות משלושת המועמדים העיקריים האחרים (אובמה, מקיין ופיילין). בכל זאת, ביידן מיקד את מסע הבחירות שלו באזורים מאותגרים-כלכלית במדינות מתנדנדות ופעל לחיזוק התמיכה של אנשי הצווארון הכחול במפלגה הדמוקרטית, בעיקר אלה שתמכו בהילרי קלינטון. ביידן תקף את מקיין בחריפות, על אף הידידות האישית ארוכת השנים בין השניים. על מקיין אמר: "הבחור שהכרתי, אינו עוד. וזה ממש מעציב אותי". עם פרוץ המשבר הכלכלי העולמי ב-2008, חוק החירום לייצוב כלכלת ארצות הברית לשנת 2008 היה לנושא מרכזי במסע הבחירות. ביידן הצביע בעד החלטת הקונגרס של ארצות הברית לנתב 700 מיליארד דולר אמריקני לייצוב כלכלת ארצות הברית, אשר עברה בסנאט ברוב של 25–74.
ב-2 באוקטובר 2008 השתתף ביידן ב"עימות הסגנים" מול פיילין. סקרים שפורסמו אחרי העימות הצביעו על כך שבעוד פיילין חרגה מהציפיות של רבים מהבוחרים, ביידן ניצח בעימות באופן כללי. ב-5 באוקטובר השהה ביידן את אירועי מסע הבחירות לימים אחדים בעקבות מותה של חמותו. במהלך ימיו האחרונים של מסע הבחירות, התמקד ביידן באזורים פחות מאוכלסים, בעלי אוכלוסייה מבוגרת יותר וקשת-יום בעיקר בפלורידה, אוהיו ופנסילבניה. לפי סקרי דעת קהל ביידן היה פופולרי באזורים אלה, בניגוד לאובמה. נוסף על כך, ביידן ניהל אירועי בחירות גם במדינות רפובליקניות באורח מסורתי (קרוליינה הצפונית, וירג'יניה ומיזורי), כמו גם באזורים עם אוכלוסיות קתוליות גדולות.
בהוראת מטה הבחירות של אובמה, ביידן נשא את נאומיו בקצרה וניסה להימנע מלהביע דעות שנויות במחלוקת וחריגות, בין היתר לאחר שאמר כי הוא משער שגורמים זרים עוינים ינסו לבחון את אובמה אם וכאשר ייבחר לנשיא, הערה שמשכה תשומת לב שלילית. בחוגים פרטיים הביע אובמה את תסכולו מפליטות הפה של ביידן באומרו: "כמה פעמים ביידן ילך להגיד משהו מטופש?" אנשי מטה הבחירות של אובמה כינו את פליטות הפה של ביידן "פצצות ג'ו" ומידרו את ביידן מדיונים אסטרטגיים חשובים, מה שעורר את חמתו של ביידן בסופו של דבר. היחסים בין שני מטות הבחירות של אובמה וביידן נעשו מתוחים במשך חודש, עד שביידן התנצל בפני אובמה בשיחת טלפון והשניים טיפחו שותפות חזקה יותר. יועץ התקשורת של אובמה, דייוויד אקסלרוד, אמר כי המשקל של ההערות הבלתי צפויות של ביידן קטן בהשוואה לתרומה החיובית של הפופולריות שלו בקרב מצביעים.
ב-4 בנובמבר 2008 נבחר ברק אובמה לנשיא ארצות הברית, וביידן נבחר לסגן נשיא ארצות הברית. אובמה וביידן זכו ל-365 מקולות חבר האלקטורים בעוד מקיין ופיילין זכו ב-173. מקיין ופיילין זכו ב-46% מקולות האזרחים בעוד אובמה וביידן זכו ב-53%.
ביידן התמודד למושב בסנאט ולתפקיד סגן הנשיא במקביל, כפי שמותר על ידי החוק בדלאוור. הוא זכה גם במרוץ לסנאט אחרי שהביס את מועמדת המפלגה הרפובליקנית כריסטין אודנל. לאחר שזכה בשתי מערכות הבחירות, ביידן עיכב את התפטרותו מהסנאט, כדי שיספיק להישבע לתקופת כהונתו השביעית בסנאט ב-6 בינואר 2009. הוא הפך לסנאטור הצעיר ביותר שהחל אי-פעם את תקופת כהונתו השביעית, ואמר: "כל חיי, הכבוד הגדול שהוענק לי היה לשרת את תושבי דלאוור כנציגם בסנאט של ארצות הברית. ביידן הצביע בפעם האחרונה בסנאט ב-15 בינואר, בעד ניתוב 350 מיליארד דולר לתוכנית הסיוע לנכסים בעייתיים במסגרת המאמצים לייצב את הכלכלה האמריקאית. ביידן התפטר מהסנאט מאוחר יותר באותו יום ונשא דברי פרידה נרגשים במליאת הסנאט, שם בילה את רוב שנותיו הבוגרות. בכך נחתמה כהונתו בת 36 השנים של ביידן בסנאט.
סגן נשיא ארצות הברית (2009–2017).
תקופת חילופי ממשל בוש-אובמה.
עם תחילת תקופת המעבר בין ממשלו היוצא של ג'ורג' ווקר בוש לממשלו הנכנס של הנשיא הנבחר אובמה, ביידן אמר שהוא נמצא בפגישות יומיומיות עם אובמה וכי מקיין היה ונותר ידיד נפשו. שם הקוד שהוענק לביידן בידי השירות החשאי של ארצות הברית היה "קלטי", בשל שורשיו האיריים.
ביידן בחר במשפטן הדמוקרטי הבכיר ועוזרו, רון קליין, לראש הסגל שלו (אשר כיהן בעבר כראש הסגל של סגן הנשיא אל גור), ובראש לשכת מגזין טיים בוושינגטון הבירה, ג'יי קארני, למנהל התקשורת שלו. הוא התכוון לבטל חלק מהתפקידים שמיסד קודמו בתפקיד, דיק צ'ייני, שהפך את התפקיד למרכז כוח אוטונומי. ביידן אמר שהוא לא יבסס את תקופתו כסגן הנשיא לפי מישהו מקודמיו, ושהוא ישאף לספק ייעוץ והמלצות בכל החלטה קריטית שאובמה יידרש לקבל. ביידן סיפר שהוא היה מעורב בכל פגישות הקבינט של ארצות הברית שנערכו במהלך תקופת המעבר. הוא נקרא גם לעמוד בראש כוח המשימה החדש של הבית הלבן לענייני משפחות עובדות, יוזמה שמטרתה לשפר את הרווחה הכלכלית של המעמד הבינוני. במעשהו האחרון כיו"ר ועדת החוץ של הסנאט, יצא ביידן למסע בעיראק, באפגניסטן ובפקיסטן בינואר 2009, ופגש מנהיגים ממדינות אלה.
כהונה ראשונה (2009–2013).
ב-20 בינואר 2009 נהיה ביידן לסגן נשיא ארצות הברית ה-47. הוא הושבע לתפקיד לצד הנשיא ברק אובמה. ביידן הוא סגן הנשיא הראשון מדלאוור והקתולי הראשון שהחזיק במשרה זו. שופט בית המשפט העליון של ארצות הברית, ג'ון פול סטיבנס, ניהל את ההשבעה לתפקיד של ביידן.
בחודשים הראשונים של ממשל אובמה, לקח ביידן על עצמו תפקיד של יועץ מרכזי מאחורי הקלעים. תפקיד אחד היה לגשר במחלוקות בין אנשי הצוות של הנשיא. הנשיא השווה את מאמציו של ביידן לשחקן כדורסל "שמבצע דברים שונים שלא מופיעים בסופו של דבר בדף הסטטיסטיקות". ביידן מילא תפקיד מפתח בהשגת תמיכת הסנאט בחקיקה שממשל אובמה קידם, והוא תרם באופן משמעותי למאמצים לשכנוע הסנאטור הרפובליקני ארלן ספקטר לעבור למפלגה הדמוקרטית. ביידן הפסיד בעימות פנים-ממשלתי עם מזכירת המדינה של ארצות הברית הילרי קלינטון, כאשר התנגדותו לשליחת 21,000 חיילים נוספים למלחמת אפגניסטן לא התקבלה. מאוחר יותר, במהלך 2009, כשאובמה שקל מחדש את האסטרטגיה באפגניסטן, הגישה הספקנית של ביידן לגבי המלחמה קיבלה ביטוי בולט יותר בבית הלבן.
ביידן ערך ביקורים בעיראק אחת לחודשיים, כולל נסיעות לבגדאד באוגוסט וספטמבר 2009 כדי לדון עם ראש ממשלת עיראק נורי אל-מאלכי ולהציג את עמדת ארצות הברית בנוגע לעתידה של עיראק. בתקופה זו היה ביידן לאיש הממשל האחראי להעברת מסרים להנהגה העיראקית. באופן כללי יותר, הפיקוח על המדיניות האמריקאית בעיראק היה בתחום אחריותו של ביידן. ביידן אמר כי הטיפול בעיראק "יכול להיות אחד ההישגים הגדולים של הממשל הזה". הביקור של ביידן בעיראק בינואר 2010, בעיצומה של סערה פוליטית בנוגע למועמדים שנפסלו להתמודדות בבחירות לפרלמנט העיראקי, הביא להחזרת 59 מועמדים מתוך כמה מאות מועמדים שנפסלו. עד 2012 ערך ביידן שמונה נסיעות לשם, אך מעורבותו בפיקוח על המדיניות האמריקאית בעיראק פחתה עם הסגת הכוחות המזוינים של ארצות הברית מהמדינה ב-2011.
ביידן פיקח על יישום "חוק השיקום וההשקעה" (American Recovery and Reinvestment Act of 2009), שסיפק חבילת תמריצים לכלכלה האמריקאית ונועד לסייע בנטרול המיתון המתמשך. הוא הדגיש כי רק מיזמים ראויים צריכים לקבל מימון. הוא שוחח עם מאות מושלים, ראשי ערים וגורמים מקומיים אחרים במסגרת אחריות זו. כאשר סיים את תפקידו בתחום זה בפברואר 2011 הוא הביע שביעות רצון מכך שלא היו מקרים רבים של בזבוז פדרלי או שחיתות.