Les sénateurs sont élus pour un mandat de 6 ans renouvelable dans le cadre du département par un collège électoral comprenant les députés, les conseillers régionaux élus dans le département, les conseillers départementaux, les délégués des conseils municipaux, ou les suppléants des délégués. Le collège électoral est composé d'environ 145 000 personnes dont 95 % sont des délégués de conseils municipaux.
A partir de 2011, le renouvellement du Sénat est triennal et porte sur la moitié des sièges. Il y a 348 sénateurs, nombre désormais inscrit dans la Constitution. Le mandat de sénateur est incompatible avec celui de député et de député européen.
Le mode de scrutin varie suivant le nombre de sièges de sénateurs dévolus au département :
- Dans les départements qui élisent 3 sénateurs ou moins, l'élection se déroule au scrutin majoritaire à deux tours. Dans le cas où deux sièges sont à pourvoir, il s'agit d'un scrutin plurinominal. Les candidatures peuvent être isolées ou par liste. Les listes ne sont pas bloquées, l'électeur peut rayer les noms, en ajouter d'autres, voire opérer un panachage entre plusieurs listes. A l'issue du scrutin, le décompte des suffrages se fait par nom.
- Dans les départements qui élisent 4 sénateurs ou plus, le scrutin proportionnel s'applique. L'élection a lieu au scrutin de liste à un seul tour. Les sièges sont attribués en fonction de l'ordre de présentation des candidats sur chaque liste.
L'élection sénatoriale recouvre une autre particularité : il s'agit de la seule élection où le vote est obligatoire pour les membres du collège électoral.