W grudniu 2004 wszedł w skład rumuńskiego Senatu, reprezentując Okręg Dolj. W wyborach parlamentarnych w listopadzie 2008 uzyskał reelekcję, zdobywając prawie 65% głosów poparcia. W latach 2004–2008 pełnił w Senacie funkcję przewodniczącego Komisji Spraw Zagranicznych. Po zawiązaniu koalicji rządowej przez Partię Socjaldemokratyczną (PSD) i Partię Demokratyczno-Liberalną (PDL) 22 grudnia 2008 objął stanowisko przewodniczącego Senatu. W głosowaniu otrzymał 96 głosów poparcia wobec 35 głosów przeciwnych jego kandydaturze.
W maju 2009 Mircea Geoană został mianowany przez radę krajową PSD kandydatem tej partii oraz Partii Konserwatywnej w wyborach prezydenckich w listopadzie 2009. W październiku 2009 oficjalnie ogłosił swój udział w wyborach w czasie kongresu Partii Socjaldemokratycznej. W czasie kampanii wyborczej często porównywał swą osobę do Tony’ego Blaira lub Billa Clintona, znanych i wpływowych polityków lewicy, proponując pakiet antykryzysowy, który zakładał rozwój budownictwa rodzinnego i zwiększenie kredytowania firm.