Im August 2005 kündigte sie an, bei der Senatswahl 2006 gegen den republikanischen Mandatsinhaber Jim Talent anzutreten. Sie errang die Mehrheit in der Vorwahl der Demokraten am 8. August 2006. In ihrem Wahlkampf setzte sie neben der inneren Sicherheit vor allem auf sozial- und gesundheitspolitische Themen. Aufsehen erregte ein TV-Werbespot des Schauspielers Michael J. Fox, in dem er McCaskill wegen ihrer Befürwortung der Stammzellenforschung unterstützte. Am 7. November 2006 wurde sie in einem vielbeachteten Kopf-an-Kopf-Rennen zur Senatorin gewählt. Sie gewann viele Stimmen der Stadtbevölkerung in St. Louis und Kansas City, während ihr Mitbewerber im ländlichen Bereich vorn lag.