1999年4月、市長としての高い支持率を背景に、翌年の上院議員選挙にニューヨーク州から出馬することを正式に表明する。民主党はヒラリー・クリントンを投入し、名物市長とファーストレディという異例の顔合わせのもと、1年に渡り激しい舌戦が繰り広げられる。ところが、全米の注目を集める最中にジュリアーニの不倫が発覚。翌年5月、妻との離婚を発表し、程なくして前立腺がんを理由に選挙戦から撤退した。
ジュリアーニがニューヨーク市の治安回復と共に力を入れたのは、中心部の再開発であった。タイムズスクエアは長い間、危険な場所と認識されていたが、犯罪が減少するにつれその利便性が見直された。同地の再開発は積極的に推進され、観光客・家族などを中心とする一般消費者が深夜まで安全に訪れることのできるエリアとなった。ディズニー、MTVスタジオ、ABCスタジオなどが同地に移転し、この試みは一応の成功を収めている。また、ジュリアーニは自身でもラジオ番組を持ち、広報活動のために出演した。安全化によって観光客は増加し、税収がアップしたことでアメリカ経済にも好影響を与えた。1997年にニューヨークを訪れた人々が使った金額は137億ドルに上り、ここから7億1000万ドルの税収がニューヨークにもたらされている。一方、マンハッタンに新しい野球場を建設する計画は頓挫した。
1993年、再び市長選に立候補し、前回敗れた現職のディンキンズを破って当選を果たす。治安の回復を目標に掲げ、ニューヨーク市警のトップにウィリアム・ブラットンを据え、「割れ窓理論」を用いて犯罪率の減少に取り組んだ。RICO法に基づき、マフィアのトップを重点的に取り締まった。検事時代のと同じように、まずイタリアン・マフィアをターゲットにしてトップらを逮捕。その後、その代わりに台頭する中国やベトナム、カンボジアやイランなどのマフィア対策を各国別に練り、頂上作戦を展開して大きな成果を上げた。警官を大幅に増やし、マフィアの温床となるセックスビジネスの撲滅作戦に乗り出すなど様々な手を打ち、ニューヨークの安全化に務めた。汚職警官を次々と告発・追放するなど、一時はマフィアより汚いとされていた警官の規律を正した。各辻には警官が立つようになり、ハーレムの名物や出店も一掃される。風紀を正すため、所々で火を噴いていたタクシーは新型車両に交換した。実際に犯罪率を半減させ、全国水準より低く抑えることに成功したことから、その目標は一般には達成されたと評価されている。これにより、ニューヨーク市は全米でも最も安全な大都市となったとされ、ニューヨーク市を浄化した市長として名声を博した。なお、ギネスブックにおいても「最も多く犯罪率を削減させた市長」としてノミネートされている。一方で、検挙率の向上が市警においては重要な課題となり、特にマイノリティ層を中心として市民的権利が警察により時に侵害されたとの批判もある。有名なケースとしては、白人警察官らが武器を携帯していなかったアフリカ系移民のアマドゥ・ディアロを指名手配犯と誤認し、41発もの弾丸を撃ち込み射殺した事件で、市警の暴力や人種差別に対して聖職者や芸能界などの著名人も参加する大規模な抗議デモに発展した。その強権的な手法に批判的な市民や人権団体などから、名前のルドルフとかけて「ジュリアーニはアドルフ・ヒトラーだ」、イタリア系人のジュリアーニの苗字をファシズム理論を構築した独裁者ベニート・ムッソリーニに絡めて「マンハッタンのムッソリーニ」などの声が上がった。
RMIとATKランチ・システムズの航空宇宙部門によって製造される製品は、サブロック、パーシング、ピースキーパー、ポセイドン、ミニットマン、トライデントI及びトライデントIIの各ミサイルで使われるロケット・モーターを含む。ATKランチ・システムズは、AIM-9 サイドワインダー、AGM-88 HARM、AGM-65 マーベリック、AGM-69 SRAM及びAIR-2 ジニーを含む多数のアメリカ軍のミサイル・システムのエンジンを製造する。サイオコールは、マーキュリー計画及びジェミニ計画の軌道修正モーター、アポロ計画のロケットの各段及び分離ロケット・モーター、パイオニア計画、サーベイヤー計画、ボイジャー計画及びマゼラン計画の各ミッションのロケット・モーター、デルタ・ロケットの改良CASTERブースター及びスペース・シャトルの固体燃料ロケット・ブースターを含むアメリカ合衆国の宇宙開発用の様々な液体燃料及び固体燃料ロケット・モーターを製造した。また、日本の宇宙開発でもStar-37N型固体ロケットエンジンがN-Iロケット、Star-37E型固体ロケットエンジンがN-IIロケットで使用され、N-I及びN-IIの両方の補助ロケットとしてキャスター2型固体ロケットが使用された（いずれも日産自動車のライセンス生産）。リアクション・モーターズ（RMI）のエンジンはX-1及びX-15実験機に使用され、後にサイオコールの技術がティア・ワン個人用有人宇宙機でも使われた。2006年3月1日に、NASAはATKランチ・システムズがアレスIとして知られる新型CLV（Crew Launch Vehicle）の主契約者であると発表した。アレスIは、アレスVとして知られる大積載能力CaLV（Cargo Launch Vehicle）の5段SRBを伴い、オリオン宇宙船（以前、CEV（Crew Exploration Vehicle）として知られていた。）を低衛星軌道に投入する。スキー・リフトに加えて、サイオコールはスノーモービルと雪上車両を含むスキー・リゾートのための製品を製造した。同社がそのロケット製品と関連したテクノロジーに集中するために会社自体を再構成したことに伴い、これらの事業は1978年に分離された。サイオコールは、航空機の射出座席で使われる短時間燃焼ロケット・エンジンの先駆者である。同社は最も初期の実用的なエアバッグ・システムも多数生産した。そして、バッグをふくらますのに用いられるアジ化ナトリウム発熱ガス高速発生器（インフレーター）を開発した。宇宙探査（マーズ・パスファインダーは、サイオコールのエアバッグで火星でバウンドした）と自動車のエアバッグに導入される前に、アメリカの軍用機が最初にサイオコール・エアバッグを使用した。リンカーン・タウンカーからマツダ・MX-5/ミアータに至るまで、ATKランチ・システムズのガス発生器は世界中で売られる60%以上のエアバッグの中核を成す。