Von 1999 bis 2006 war Tester Mitglied des Senats von Montana und hatte von 2005 bis 2006 das Amt des Senatspräsidenten inne. Bei der Wahl zum Senat der Vereinigten Staaten 2006 trat Tester an und schlug in der parteiinternen Vorwahl den State Auditor John Morrison. Bei der Hauptwahl im November besiegte Tester den Republikaner Conrad Burns, der Montana jahrelang im Senat der Vereinigten Staaten vertreten hatte, mit 49 zu 48 Prozent der Wählerstimmen. Tester trat das Mandat am 3. Januar 2007 an und verteidigte es bei der Wahl 2012 gegen den bisherigen republikanischen Kongressabgeordneten Denny Rehberg mit 49 zu 45 Prozent der Stimmen; der Libertäre Dan Cox erhielt 7 Prozent.