Am 1. Dezember 2008 kündigte der designierte Präsident Barack Obama Hillary Clinton, die Junior-U.S.-Senatorin aus New York, als Außenministerin an. Clinton wurde bestätigt und trat von ihrem Senatssitz zurück. Mit dieser Ankündigung begann ein zweimonatiger Suchprozess, um ihren leeren Senatssitz zu besetzen. Nach New Yorker Recht ernennt der Gouverneur einen Ersatz. Eine Sonderwahl würde dann im November 2010 für den Rest der vollen Amtszeit, die im Januar 2013 endete, stattfinden. Gouverneur David Paterson wählte Gillibrand am 23. Januar 2009.
Seit ihrer Berufung in den Senat hat Gillibrand ihre politischen Positionen und ihre Ideologie in Richtung einer liberalen, fortschrittlichen Position verschoben. Gillibrand war ein wichtiger Teil der erfolgreichen Kampagne zur Aufhebung von "Don't Ask, Don't Tell". Im März 2011 unterstützte Gillibrand das Gesetz zum Schutz des geistigen Eigentums (PROTECT IP Act), das den Zugang zu Websites, die Urheberrechte verletzen, einschränken soll. Im Jahr 2013 schlug Gillibrand die erfolglose Gesetzgebung vor, die Fälle sexueller Übergriffe aus der militärischen Befehlskette herausnehmen würde; die Gesetzesvorlage wurde von den republikanischen Senatoren Rand Paul und Ted Cruz mitunterstützt.
Im November 2017 machte Gillibrand landesweit Schlagzeilen, als sie sagte, Präsident Bill Clinton hätte sein Amt niederlegen müssen, als seine Affäre mit Monica Lewinsky aufgedeckt wurde.
