As duas vagas de Pernambuco no Senado Federal ficaram com Humberto Costa (PT) e Marília Arraes (PDT). O petista, que garantiu a reeleição, recebeu 2.497.376 votos, o equivalente a 27,11% dos votos válidos. Marília, que aparecia na liderança das principais pesquisas na reta final da campanha, conquistou 2.301.512 votos (24,98%).
Na sequência ficaram Mendonça Filho (PL), com cerca de 18,7% dos votos válidos; Eduardo da Fonte (PP), com 13,8%; Carlos Sant’Anna (Novo), com 7,6%; e Túlio Gadêlha (PSD), com pouco mais de 7%. Paulo Rubem Santiago (Rede), Pastor Gilvan Costa (Democrata), Gorett Bitu (UP), Samuel Timoteo (UP), Mariano Macedo (PSTU) e Mailson da Silva Neto (PCO) ficaram abaixo de 1% cada.
Humberto e Marília integraram a chapa da Frente Popular de Pernambuco, liderada por João Campos (PSB), derrotado na disputa pelo Governo do Estado. Com o resultado, a oposição ao governo estadual conquistou as duas cadeiras pernambucanas em disputa no Senado.