Den 1. april 2019 annonserte Luján at han skulle stille til valg for å erstatte senator Tom Udall, som skulle gå av med pensjon, i Senatorvalget i New Mexico 2020. Den 2. juni 2020 vant Luján demokratenes nominasjon etter å ha vunnet et primærvalg uten motstandere. I valget slo han slo republikanernes nominasjon, Mark Ronchetti, med 51,7 % av stemmene mot 45,6 %.