2005年9月22日『パリ・マッチ』誌のインタビューの中でロワイヤルは、2007年大統領選挙に立候補することを表明した。初期雇用契約（CPE）をめぐり、フランス全土において反対派の学生、労働組合により大規模な暴動が発生した際には、強硬発言を繰り返すニコラ・サルコジ内相に対する攻撃の先鞭をつけた。2006年4月7日、ロワイヤルはインターネットによる大統領選挙キャンペーンに着手するとともに、10項目から成る政治綱領（マニフェスト）を発表した。ドミニク・ガルゾー・ド＝ビルパン内閣がCPEをめぐって2度にわたり全土にデモを引き起こしたことを契機に、左派系の有力候補に台頭した。2006年9月29日に大統領選挙に社会党から出馬すると正式に宣言して同党予備選挙に立候補し、ローラン・ファビウス元首相とドミニク・ストロス＝カーン元財務相を相手に戦った。11月16日の社会党の党員投票（投票率82.03%、投票総数約17万8000票）ではロワイヤル候補は60.65%の票を獲得し、カーン候補が獲得した20.69%、ファビウス候補が獲得した18.66%を大きく引き離し圧勝し、社会党の大統領候補に決定した。大統領選挙における4月22日の1次選挙では得票率25%で、ニコラ・サルコジについで2位となり、決選投票（5月6日）に駒を進めたが、決選投票で46.94%の票を獲得するにとどまり、落選した。大統領選挙で常に右派候補が左派候補を引き離してきた保守が圧倒的に強いパリ市では、ロワイヤルはサルコジに3838票差まで詰め寄る49.81%の票を獲得して善戦した。
1881年、ルドルフはベルギー王レオポルド2世の次女ステファニー（シュテファニー）と結婚し、1883年には娘エリーザベトが誕生していたが、性格の不一致は深刻なもので、2人の仲は冷え切っていた。結婚以前から、彼は貴族専門の娼婦や女優たちとの関係があったが、特にミッツィ・カスパルは一番のお気に入りの女性であった。1888年末頃、ルドルフは16歳のマリー・ヴェッツェラと出会った。この出会いを仲介したのは、母エリーザベトのお気に入りだった従姉（エリーザベトの兄ルートヴィヒが一介の女優と貴賎結婚してもうけた娘）ラリッシュ伯爵夫人マリー・ルイーゼだった。「つやのない麦わらのような金髪はぼさぼさで、眉毛は薄く、正視に耐えなかった」と口の悪いラリッシュ伯爵夫人が語った皇太子妃シュテファニーの姿と比べて、マリー・ヴェッツェラは小柄の美しい娘であった。やがてルドルフはマリー・ヴェッツェラに惹かれ、教皇レオ13世に宛ててステファニーとの離婚を求める書簡を送った。教皇は「不許可」と回答したが、これはルドルフにではなくローマ駐在の外交官を通じてフランツ・ヨーゼフ1世に返書が渡されたために一切が洩れてしまい、父帝の激しい怒りを呼び起こした。ルドルフはドイツ帝国宰相ビスマルクに不信感を抱いていたため、帝国のドイツ頼みの政策を嫌っていた。ルドルフは、ロシアやフランスとの同盟を構想して、フランスには積極的に接近する一方、秘密裡にロシアにも赴いたことがあったが、これも新聞によって暴露されてしまった。1889年1月26日、激怒した父帝はルドルフを呼びつけて叱責した。しかも、翌朝のフランツ・ヨーゼフ1世の書簡には「今宵のドイツ大使館のパーティには、プロイセン軍第一礼装で出席するように」と書かれていた。父帝は、新聞に暴かれた親仏・親露、反独疑惑を払拭するために必死だった。プロイセン軍の礼装を身に着けたルドルフは、「この軍服は僕には耐えられないほど重い」とこぼした。その日の午後、ルドルフはウィーン郊外のプラーターの狩猟地に赴き、従姉のラリッシュ伯爵夫人に「明日、マリー・ヴェッツェラを連れてきてほしい。今頼れるのは彼女だけだ」と語った。警察諜報員ドクトル・フローリアン・マイスナーが、警察長官のフランツ・クラウス男爵に提出した報告書によると、ルドルフ最後の夜となった1889年1月28日月曜日に、彼はミッツィ・カスパルを訪ねている。彼は夜中の3時までミッツィの元に留まって何杯もシャンパンを飲み、管理人には口止め料として10グルデンを与えた。そしてルドルフは別れ際に、彼女の額に十字を切った。そしてそこからマイヤーリンクへ赴いた。翌28日、ルドルフはマリー・ヴェッツェラとともにマイヤーリンクの狩猟館に馬車で向かった。1月30日水曜日午前6時10分、彼の部屋から2発の銃声を聞いた執事が駆けつけた。しかし部屋は内側から施錠されており、執事は斧でドアを破って入った。踏み込んだ先にはルドルフとマリーがベッドの上で血まみれになって死んでおり、傍らに拳銃が落ちていた。はじめ、事件は「心臓発作」として報道されたが、じきに「情死」としてヨーロッパ中に伝わり、様々な憶測を呼んだ。ルドルフが本当に心中したかった相手はミッツィ・カスパルで、彼女に心中を持ちかけたが一笑に付されたため、仕方なくマリーを死出の旅の道連れに選んだという説がある。実際ルドルフは、1888年夏にメートリンクのフザーレン教会の前でミッツィに、拳銃で撃ち合って死のうと提案している。驚いたミッツィは、すぐにウィーンの警察長官クラウスにこのことを通報した。それからルドルフは、以前にも増して厳しく刑事たちに監視されるようになった。またルドルフの狩猟友達のヨーゼフ・ホヨス＝シュプリンツェンシュタイン伯爵が出版した回想録によると、ルドルフとマリー・ヴェッツェラが心中事件を起こす1889年1月には、既に2人の仲は冷めきっていたという。皇太子妃のシュテファニーも、自身の回想録の中で「ヴェッツェラ夫人って、一体誰だったかしら? 幾人もの女性の中の1人…最後の夜でさえ、あの夫は例の色女の元で、あのウィーンの娼婦の所で過ごしたのだわ」と書いている。さらに、ルドルフは以前からたびたびミッツィに6万グルデンもする館を贈り、さらに5万グルデンもする装身具も贈っている。またルドルフの死後、王宮内の彼の引き出しには「10万グルデン」と書かれたミッツィ宛ての封筒が残されていたが、実際に中に入っていたのは3万グルデンだった。ルドルフの侍従武官だったマクシミリアン・オルシーニ・ローゼンベルク伯爵の記録によると、ルドルフは最後の2年間には側近の者達からひどい顰蹙を買ったにもかかわらず、軍隊の視察旅行にさえミッツィを同伴したという。なお、ルドルフにマリー・ヴェッツェラを紹介したラリッシュ伯爵夫人はフランツ・ヨーゼフ1世とエリーザベトの怒りを買い、オーストリアから追放されてアメリカに移り住むことになった。彼女は追放された腹いせから、エリーザベトを中傷することを書いたという。