Sullivan stilte til valg i senatorvalget i 2014 for mandatet som da tilhørte Demokraten Mark Begich. I august 2014 vant han Republikanernes primærvalg over Alaskas viseguvernør Mead Treadwell og Joe Miller, som var Republikanernes kandidat i 2010. Sullivan slo Begich i valget med 47,96 % av stemmene mot Begichs 45,83 %, som var en forskjell på 6 014 stemmer av de totalt 282 400. Han vant gjenvalg i 2020, da han slo den uavhengige utfordreren Al Gross med 13 prosentpoeng.