I september 2019 annonserte Marshall at han skulle si fra seg setet i Representanenes hus for å stille i senatorvalget for setet som kom til å stå tomt etter Pat Roberts. I republikanernes primærvalg stilte Marshall mot Kris Kobach, en polariserende tidligere Kansas Secretary of State og alliert av Donald Trump som var kjent for å ha høyreekstreme meninger. Republikanernes ledere i senatet, som var bekymret for at Kobachs nominasjon kunne sette republikanernes majoritet i senatet i fare, oppfordret Trump til å offisielt støtte Marshall; Trump gjorde ikke det. U.S. Chamber of Commerce, Kansas Farm Bureau og flere abortmotstanderorganisasjoner støttet Marshall. National Republican Senatorial Committee startet et stort prosjekt for å nå ut til velgere («Operation Scorched Prairie») på vegne av Marshall som tok kontakt med 2,3 millioner forskjellige velgere via tekstmeldinger og robocalls i løpet av ukene før valget.