Den von Wilson aufgegebenen Sitz im Senat der Vereinigten Staaten gewann Feinstein in der folgenden außerordentlichen Nachwahl im November 1992 gegen den von Wilson selbst ernannten Interimssenator John F. Seymour und trat das Mandat am 10. November 1992 an. Sie wurde 1994, 2000, 2006, 2012 und 2018 wiedergewählt. In den Jahren 1998 und 2003 rieten ihr viele, wiederum für das Gouverneursamt zu kandidieren, was sie ablehnte. Feinstein ist aktuell das älteste Mitglied des US-Senats.