W sierpniu 2016 Bułgarska Partia Socjalistyczna nominowała go jako swojego kandydata w wyborach prezydenckich (wraz z Ilijaną Jotową jako kandydatką na wiceprezydenta). W kampanii wyborczej opowiadał się m.in. za zniesieniem sankcji wobec Rosji nałożonych po bezprawnej aneksji Krymu przez Rosję. W pierwszej turze Rumen Radew zajął pierwsze miejsce, otrzymując 25,4% głosów, przechodząc do drugiej tury z kandydatką partii GERB Cecką Caczewą. W drugiej turze głosowania został wybrany na prezydenta z wynikiem 59,4% głosów. Urząd prezydenta objął 22 stycznia 2017. W z powodzeniem ubiegał się o reelekcję (również w parze z Ilijaną Jotową). W pierwszej turze dostał 49,4% głosów; w drugiej z wynikiem 66,7% głosów pokonał Anastasa Gerdżikowa.
20 stycznia 2026, w trakcie kolejnego kryzysu politycznego związanego brakiem możliwości wyłonienia stabilnego rządu i zgodnie z zapowiedzią z poprzedniego dnia, złożył rezygnację ze stanowiska. Zakończył urzędowanie 23 stycznia 2026, kiedy to przyjął jego rezygnację.