Lors des élections de 2008, il se présente à la succession du républicain Pete Domenici au Sénat des États-Unis. Il est désigné candidat du Parti démocrate sans opposition, après le retrait du maire d'Albuquerque Martin Chávez, poussé à se ranger derrière Udall par les sondages et la direction du parti. Face à lui, le Parti républicain se déchire entre la modérée Heather Wilson et le conservateur Steve Pearce. Udall est élu sénateur avec 61,3 % des voix contre Pearce (38,7 %). Il est reconduit pour un second mandat en 2014 avec 55,6 % des suffrages face à Allen Weh. En , il annonce qu'il ne sera pas candidat à un troisième mandat au Sénat.