I 2019 stilte han som presidentkandidat mot sittende president Evo Morales. Han ble den største av opposisjonskandidatene, men 36,5% av stemmene, men tapte mot Morales som fikk 47,1% og derimot slapp å stille i en andre runde. Valget fant sted i et klima av uro og protester, ettersom det var omstridt om Morales hadde rett til å stille som president. Etter valget ble det fra opposisjonens hold framsatt påstander om valgfusk, og Mesa nektet å godkjenne resultatet og oppfordret til protester. I en granskningsrapport fra OAS ble det framsatt påstander om «bevisst manipulering» og «betydelige uregelmessigheter» under valget. Uroen eskalerte, og det endte med at militæret og politiet presset Morales til å gå av. En midlertidig regjering ledet av den borgerlige politikeren Jeanine Añez ble innsatt. Det ble lovet at valg ville bli holdt i løpet av kort tid, og Mesa annonserte sitt kandidatur for neste valg med Gustavo Pedreza som sin visepresidentkandidat. Valget ble utsatt flere ganger med koronaviruspandemien som begrunnelse. I valget, som ble avholdt 18. oktober 2020, fikk Mesa 29% av stemmene og tapte mot Luis Arce fra MAS, som fikk 55%. Mesa erkjente nederlag etter en valgdagsmåling viste at Arce lå an til å vinne valget med stor nok margin til å unngå en andre runde.