Wybór i praca w Senacie W lutym 2009 republikański senator Judd Gregg został nominowany przez prezydenta Baracka Obamę na stanowisko Sekretarza ds. handlu w nowym gabinecie demokratycznego prezydenta. Senator przyjął propozycję, jednak wkrótce wycofał się, wyrażając poparcie dla Obamy. Nie mając większych szans na wygranie prawyborów ogłosił, że nie będzie ubiegał się o reelekcję. W lipcu Ayotte zrezygnowała z funkcji Prokuratora Generalnego, by wystartować do Senatu. W prawyborach musiała się zmierzyć z konserwatywnym politykiem TEA Party, którym był Ovide Lamontage i kilkoma innymi, mniej ważnymi kandydatami. Z poparciem kilku znanych twarzy partyjnych, takich jak John McCain, Mitt Romney czy Sarah Palin wygrała prawybory zdobywając 38% głosów, o 1 punkt procentowy więcej niż Lamontage. W wyborach ogólnych w listopadzie 2010 roku pokonała Demokratę Paula Hodesa stosunkiem 60%-37%. Tak duża różnica w stanie postrzeganym jako "swing state" (głosujący raz na jedną, raz na drugą partię, zazwyczaj w wyrównanych wyborach) był spowodowany niepopularnością prezydenta Obamy, która przełożyła się na dotkliwą porażkę Demokratów w wielu stanach.
Została zaprzysiężona 3 stycznia 2011 roku. Zasiada w kilku komisjach między innymi w Komisji ds. Sił Zbrojnych, Komisji ds. Budżetu.