בוש החל את הבחירות שהתקיימו ב-7 בנובמבר, עם יתרון בסקרים, אולם המערכה הייתה צמודה ביותר. כאשר החלו להתפרסם התוצאות במדינות השונות, התברר שגורל הבחירות תלוי בתוצאות שיתקבלו ממדינת פלורידה, אשר הייתה אמורה לשלוח 25 מתוך 538 האלקטורים. בתחילה הודיעו רשתות השידור שגור זכה בפלורידה, אולם לאחר מכן ביטלו את הכרזתן והודיעו שהניצחון שייך דווקא לבוש. בסוף הערב התברר שההפרש בפלורידה עומד על מאות קולות בלבד וכי על פי החוק, תידרש ספירה חוזרת של הקולות במדינה. גורל הבחירות לא היה ברור במשך כחודש. בזמן זה התנהלו בפלורידה ויכוחים ועימותים משפטיים בשאלות כמו האם יש להחשיב טופסי הצבעה שבהם הניקוב הצליח רק חלקית ("hanging chads"). כמו כן, הועלו טענות על כך שבחלק ממחוזות הבחירה במדינה, ודווקא כאלה המאוכלסים בתומכי המפלגה הדמוקרטית, טופסי ההצבעה היו מבלבלים, ובשל כך בוחרים שהתכוונו להצביע בעד גור, הצביעו דווקא עבור המועמד העצמאי הימני פט ביוקנן. בסופה של הספירה החוזרת נקבע כי בוש זכה ברוב הקולות הכשרים, אולם הדמוקרטים דרשו לספור גם טפסים שנפסלו מסיבות טכניות. הממשל המקומי בפלורידה, שבראשו עמד ג'ב בוש, אחיו הצעיר של ג'ורג' בוש, התנגד להמשך הספירה – אך בית המשפט העליון של פלורידה הורה להמשיך בה – מה שגרר את גלגולו של התיק לבית המשפט העליון של ארצות הברית. לבסוף, ב-12 בדצמבר, הורה בית המשפט העליון האמריקאי על הפסקת הספירה, ובכך העניק את הניצחון בבחירות לבוש. למחרת, ב-13 בדצמבר, הודיע אל גור בנאום לאומה שהוא מכיר בניצחונו של בוש ומבקש מתומכיו לנהוג כמוהו. חרף בקשתו, רבים האשימו את בית המשפט העליון כי החלטתו להפסיק את ספירת הקולות הייתה פוליטית ולא משפטית, שכן השופטים שהורו על כך מונו על ידי נשיאים רפובליקנים, ועל כן סברו כי בחירתו של בוש לא הייתה לגיטימית ו"בירכו" את הנשיא הנכנס בקריאה "הידד לגנב" ("Hail To The Thief"). שופט בית המשפט העליון, ג'ון פול סטיבנס, אמר לאחר ההחלטה כי "על אף שייתכן כי לעולם לא נדע בוודאות מוחלטת מי המנצח של הבחירות הללו, אנו יודעים בוודאות מי המפסיד. זוהי האומה האמריקנית, שאיבדה את אמונה בדמות השופט כשומר אובייקטיבי של החוק".
ב-20 בינואר 2001 הושבע בוש לנשיא, אף שזכה בכחצי מיליון קולות פחות מאשר יריבו – מצב שלא קרה בארצות הברית מאז 1888. בוש זכה בכ-47.9% מקולות המצביעים לעומת כ-48.4% קולות שבהם זכה גור, אולם בחבר האלקטורים היה לו רוב של 271 לעומת 266. הנשיא לשעבר ג'ימי קרטר נמנה עם הדמוקרטים הבודדים שהסכימו לנכוח על הבמה בעת השבעתו של בוש.
כהונתו הראשונה כנשיא (2001–2005).
הקדנציה הראשונה של ג'ורג' ווקר בוש התאפיינה בפעילות נרחבת ומשמעותית של הממשל בשורה ארוכה של תחומים, כאשר לא פעם הוביל בוש צעדים רחבי היקף ושנויים במחלוקת. על אף שתחילה שאף בוש למקד את מדיניותו בנושאי פנים, האירועים שהתוו יותר מכל את מדיניותו היו פיגועי 11 בספטמבר, שהתרחשו כחצי שנה לאחר היבחרו לנשיאות. מיד אחרי הפיגועים ניסח בוש את המתווה למלחמה העולמית בטרור, ופלש לאפגניסטן. בראשית שנת 2003 הרחיב בוש את המלחמה העולמית בטרור והצבא האמריקני פלש גם לעיראק. בנושאי פנים קידם ממשל בוש שורה של רפורמות במערכות המיסוי, החינוך, הבריאות והרווחה.
לצוותו הקרוב מינה בוש מספר בכירים בולטים מממשלו של אביו. מלבד סגן הנשיא דיק צ'ייני שהיה מזכיר ההגנה של אביו; מינה את אנדרו קארד שהיה מזכיר התחבורה של אביו, לתפקיד ראש סגל הבית הלבן, ואת קולין פאוול, שהיה יושב ראש המטות המשולבים של אביו, מינה לתפקיד מזכיר המדינה. אנשים חשובים נוספים בממשל של ג'ורג' ווקר בוש היו דונלד רמספלד שמונה למזכיר ההגנה, וקונדוליזה רייס שמונתה ליועצת לביטחון לאומי. בנושאי חוץ וביטחון, נחשב סגן הנשיא צ'ייני לאושיה בעלת השפעה מרכזית על מדיניות הממשל, לצד מזכיר ההגנה רמספלד וסגנו, פול וולפוביץ, שנמנים עם הזרם הנאו-קונסרבטיבי. לעומתם קולין פאוול נתפס כמי שביטא בדרך כלל קול מתון יותר בממשל, וככזה הוא היה מצוי לא פעם בעימותים שונים עם צ'ייני ורמספלד, ואף עם בוש.
פרוץ המלחמה העולמית בטרור.
פיגועי 11 בספטמבר 2001 בניו יורק ובוושינגטון די. סי. היו נקודה מכרעת בהתווית מדיניותו של בוש. תשעה עשר טרוריסטים שהשתייכו לארגון אל-קאעידה חטפו ארבעה מטוסי נוסעים וריסקו שניים מהם במגדלי התאומים ואחד בבניין הפנטגון. המטוס הרביעי התרסק בשדה פתוח בפנסילבניה. בכלל האירועים נהרגו 2,977 בני אדם. בעת שהתרחשו הפיגועים, ביקר בוש בבית ספר יסודי בפלורידה. בוש הוטס לבסיסים צבאיים בלואיזיאנה ובנברסקה וחזר לוושינגטון בערב. שלושה ימים לאחר המתקפה, ביקר בוש ב"גראונד זירו", המקום שבו עמדו מגדלי התאומים בניו יורק, ועודד את אנשי החילוץ שעבדו במקום. על רקע השידורים שבהם נראה בוש מחבק את הכבאים ונואם במקום במגפון, התאחד הציבור האמריקאי סביב נשיאו, ובשבועות שלאחר ה-11 בספטמבר המריאה הפופולריות שלו לכ-90%.
בנאומים שנשא לאחר פיגועי 11 בספטמבר, התווה בוש את המרכיבים העיקריים של מדיניות החוץ האמריקנית בשנותיו הבאות בבית הלבן. כבר בערב יום מתקפת הטרור הכריז בוש כי "אנחנו עומדים יחד לנצח במלחמה נגד הטרור". תשעה ימים לאחר מכן, ב-20 בספטמבר, בנאום שנשא בפני שני בתי הקונגרס, שהיה אולי נאומו החשוב ביותר כנשיא, ניסח בוש בצורה מפורטת את מדיניות התגובה שלו לפיגועים. כבר בתחילת נאום זה הכריז בוש: "אנחנו הולכים להביא את אויבינו לצדק, או שנביא את הצדק לאויבינו. הצדק ייעשה". בהמשך קבע בוש שהראיות קושרות את הפיגועים לארגון אל-קאעידה, וסימן את משטר הטליבאן באפגניסטן כנותן החסות העיקרי של הארגון, וככזה הוא נושא באחריות ישירה לאירועים. לאחר שורה של דרישות שהציג לטליבאן כאולטימטום, קבע בוש ש"דרישות אלה אינן פתוחות למשא ומתן", והכריז גם ש"הם (הטליבאן) ימסרו לנו את הטרוריסטים או שהם יחלקו איתם את גורלם". עוד אמר בוש ש"המלחמה שלנו בטרור מתחילה עם אל-קאעידה, אבל היא לא תסתיים שם. היא לא תסתיים עד שכל ארגוני הטרור יבלמו ויובסו." בנאום מצב האומה הראשון שנשא ב-29 בינואר 2002, הכריז הנשיא בוש כי קוריאה הצפונית, איראן ועיראק הן מדינות "ציר הרשע". בכך סימן בוש והגדיר בצורה ברורה את האויב, וכלפי מי מופנים המאמצים הצבאיים והמדיניים של ארצות הברית. המכנה המשותף של מדינות ציר הרשע הוא תמיכתם בארגוני הטרור וחתירתם לפיתוח נשק להשמדה המונית, ולפיכך הם מהווים את מוקדי הסיכון המרכזיים לשלום העולם. מאוחר יותר הכליל בוש גם את סוריה, לוב וקובה כחברות במדינות ציר הרשע. ב-1 ביוני 2002, נשא בוש נאום בפני צוערי המכללה הצבאית בוסט פוינט, שבו הציג ביתר פירוט את עקרונות המלחמה העולמית בטרור, כמה שנודע לימים כ"דוקטרינת בוש". בנאום זה קבע שארצות הברית לא תהסס לפתוח במלחמת מנע אם היא או בעלות בריתה יהיו מאוימות על ידי טרוריסטים או "מדינות פורעות חוק" המייצרות נשק להשמדה המונית. הוא הוסיף שארצות הברית בראשותו תציב את עניין הביטחון הלאומי בראש סדרי העדיפויות, וכי הוא מתכוון לקדם את הדמוקרטיה והחירות בכל אזורי העולם.
הפלישה לאפגניסטן.
מיד לאחר שבוש הציב שורה של דרישות לשלטונות הטליבאן באפגניסטן, הם הודיעו כי הם מסרבים לשתף פעולה עם ארצות הברית כנגד ארגון אל-קאעידה. עבור בוש היה זה סימן שהמלחמה שאותה תכנן היא בלתי נמנעת. הוא הורה לצבא האמריקני לגבש תוכנית פלישה לאפגניסטן כשהוא זוכה לגיבוי ציבורי רחב בארצו ולתמיכה בינלאומית רחבה ברחבי העולם. כחלק מההכנות לפלישה, רקם בוש שיתוף פעולה עם ממשלו של פרווז מושארף בפקיסטן הגובלת באפגניסטן מדרום-מזרח וכן עם כמה ממדינות מרכז אסיה הגובלות באפגניסטן מצפון. בנוסף, יזם בוש ברית צבאית עם הברית הצפונית – האופוזיציה האפגנית החמושה אשר כללה שורה של ארגונים ששלטו במדינה לפני השתלטות הטליבאן. הברית הצפונית הייתה אמורה, על פי התוכנית האמריקאית, להוות בסיס לשלטון החדש. במקביל שקד הנשיא בוש על הקמת קואליציה בינלאומית רחבה ככל האפשר של מדינות שיסכימו להשתתף בלחימה לצד ארצות הברית. 43 מדינות התחייבו להעמיד את כוחותיהם למלחמה, כאשר המובילות שבהן היו הממלכה המאוחדת, צרפת וגרמניה.
מלחמת אפגניסטן החלה ב-7 באוקטובר. ב-13 בנובמבר השתלטו כוחות הברית הצפונית, ארצות הברית ושאר מדינות הקואליציה על הבירה קאבול, וכבר ב-22 בדצמבר הועבר השלטון לידי ממשל זמני בראשות חאמיד כרזאי שהפך לבעל בריתו הקרוב של בוש ולאורח הכבוד בנאום מצב האומה הראשון שנשא ב-29 בינואר 2002. הלחימה במעוזי הטליבאן בדרום המדינה ובמזרחה נמשכה עוד מספר חודשים, ומיום ליום מספר ההרוגים של הטליבאן עלה ושטחים נוספים נכבשו על ידי האמריקנים.
כיבושה של אפגניסטן הסתיים במהירות ומשטר הטליבאן הופל. הציבור האמריקני לא הסתפק בכך. הוא ציפה שתוך זמן קצר מנהיג אל-קאעידה אוסאמה בן לאדן יחוסל או יובא לדין, אך ציפייה זו לא התממשה באותה עת. הכוחות האמריקנים סרקו אזורים רבים באפגניסטן ובפקיסטן בניסיון לאתרו, אך הדבר לא עלה בידם. דבר נוסף שהעכיר את הניסיון של בוש לשווק את המלחמה כניצחון, הייתה מלחמת הגרילה הממושכת שנערכה בין הכוחות האמריקניים לכוחות הטליבאן. בשנים 2002, 2003 ו-2004, לחימה זו גבתה את חייהם של כחמישים לוחמים אמריקניים מדי שנה.