Am 7. Februar 2006 kündigte er an, dass er die demokratische Nominierung für den Senatswahlkampf 2006 gegen den amtierenden Senator George Allen aus Virginia anstreben werde.
In der Vorwahl der Demokraten am 13. Juni 2006 stand Webb dem langjährigen Geschäftsmann und Lobbyisten Harris Miller gegenüber. Webb gewann mit 53,5% der Stimmen in einem Rennen mit geringer Wahlbeteiligung. Am 4. Januar 2007 wurde Webb in den 110. US-Senat vereidigt, begleitet von Senator John Warner, R-Va., einem ehemaligen Marineministerkollegen, und dem ehemaligen demokratischen Senator Chuck Robb aus Virginia, der denselben Sitz innehatte, bevor er gegen Allen verlor.
Am 15. November 2006 wies der mehrheitlich amtierende Senatsführer Harry Reid Webb drei Ausschüssen zu: den Ausschüssen für auswärtige Beziehungen, für Veteranenangelegenheiten und für die Streitkräfte.
Am 23. Januar 2007 lieferte Webb die demokratische Antwort auf die Rede des Präsidenten zur Lage der Nation, in der er sich auf die Wirtschaft und den Irak konzentrierte. Webbs Rede wurde positiv bewertet und galt als eine der stärksten Reaktionen zur Lage der Union in der jüngsten Vergangenheit. Webb, ein mit Orden ausgezeichneter Kriegsveteran, sprach über die militärische Vergangenheit seiner Familie, seine eigene leidenschaftliche Verbundenheit mit dem Militär und die Art und Weise, in der frühere Präsidenten immer versucht hatten, sicherzustellen, dass alle Vorsichtsmaßnahmen getroffen wurden, wenn sie junge Amerikaner in Gefahr brachten.
Am 14. August 2009 besuchte Webb Myanmar (Burma), wo er die Junta-Führerin, General Than Shwe, und auch die pro-demokratische Führerin Aung San Suu Kyi, die unter Hausarrest stand, besuchte. Während Webbs Besuch bei Than Shwe handelte Webb die Freilassung und Deportation des inhaftierten Amerikaners John Yettaw aus.
Am 9. Februar 2011 gab Webb bekannt, dass er 2012 nicht für die Wiederwahl seines Senatssitzes kandidieren werde.