Po powrocie do miasta kandydował w wyborach na gubernatora Nowego Jorku i zwyciężył. Funkcję tę pełnił od 1899 do 1901 roku. Jego popularność była na tyle wysoka, że działacze republikańscy chcieli przyznać mu nominację na wiceprezydenta. Bossowie partyjni obawiali się jego popularności i niezależności, dlatego też chcieli aby objął on ceremonialną funkcję, bez realnego wpływu na władzę. Na konwencji w Filadelfii uzyskał nominację, podczas gdy kandydatem na prezydenta był ubiegający się o reelekcję William McKinley. Duet republikański wygrał wybory prezydenckie i Roosevelt został wiceprezydentem 4 marca 1901 roku. Pół roku później, Leon Czolgosz dokonał zamachu na życie McKinleya. Roosevelt, przebywając na polowaniu w Adirondacks, 13 września otrzymał informację, że prezydent jest ranny i bliski śmierci. Dzień później wiceprezydent dotarł do Buffalo, lecz McKinley już nie żył. Wobec tego, Roosevelt został zaprzysiężony jako nowy prezydent.