新潟県知事選挙で現職の泉田裕彦が不出馬を表明。米山が所属していた民進党は独自候補の擁立を模索したが、途中で断念し、自主投票を決定。唯一の立候補予定者となった前長岡市長の森民夫には自民・公明両党が推薦、民進党の支持団体・連合新潟も支持を決めた。無投票の公算も出てくるなか、原発再稼働に慎重姿勢だった泉田の路線を引き継げる候補を模索していた共産・生活（のち自由）・社民3党や市民団体の要請を受ける形で、米山は2016年9月23日、民進党を離党し、新潟県知事選に無所属で立候補する意向を表明した。国政選挙に出馬した際は原子力発電所の再稼働を主張していたが、知事選では、立候補を断念した泉田の「東京電力福島第一原発事故の検証なしに、柏崎刈羽原子力発電所の再稼働の議論はできない」と、慎重な姿勢を強く打ち出して「泉田路線」の継承を掲げた。新社会党、緑の党からも推薦を受けた。7月の第24回参議院議員通常選挙で野党統一候補として自民党現職の中原八一を破った自由党県連代表の森裕子が選挙対策本部長に就任。自主投票の民進党の動きは当初鈍かったが、前原誠司、江田憲司、松野頼久らが応援に駆け付け、風間直樹ら地元選出議員も支援。最終盤では蓮舫代表も応援に入った。