I turę wyborów wygrał, uzyskując 35,40% głosów, co dało mu wynik lepszy o 0,41 p.p. od drugiego Andreja Babiša, z którym zmierzył się w II turze (27–28 stycznia 2023). Poparcia Pavlovi przed II turą udzieliło czworo z pozostałych kandydatów: Danuše Nerudová, Pavel Fischer, Marek Hilšer i Karel Diviš oraz premier Petr Fiala. Podczas debaty telewizyjnej z Babišem przed II turą najwięcej emocji wzbudziły odpowiedzi na pytanie o ewentualność wysłania czeskich żołnierzy w razie napaści na Polskę lub państwa bałtyckie. Babiš stwierdził, że by nie wysłał, Pavel z kolei zapewnił, że dopełniłby sojuszniczych zobowiązań. Po debacie dodatkowo zadeklarował, że w razie wyboru na prezydenta w drugą podróż zagraniczną uda się do Polski (pierwsza zwyczajowo odbywa się na Słowację).
W II turze zwyciężył, otrzymując 3 358 926 głosów (58,32%), wobec 2 400 271 dla Babiša (41,67%) przy frekwencji 70,25%.
Prezydent Czech mały|Prezydent Petr Pavel z ambasadorem Mateuszem Gniazdowskim podczas uroczystości w Ambasadzie RP w Pradze (2024) Petr Pavel urząd Prezydenta Czech objął 9 marca 2023, zastępując na tym stanowisku Miloša Zemana, którego mandat wygasł 8 marca 2023 o godz. 24:00. Zaprzysiężony został ok.