Ngày 12 tháng 4 năm 2015, Clinton chính thức tuyên bố tranh cử tổng thống trong cuộc tuyển cử năm 2016.[178] Bà đã chuẩn bị mọi sự: mạng lưới quyên góp tài chính rộng lớn, những nhà điều phối nhiều kinh nghiệm, các ủy ban hành động chính trị như Ready for Hillary và Priorities USA Action.[179] Những chủ đề chính: nâng cao lợi tức của giới trung lưu, phổ cập nhà trẻ và trường mẫu giáo, tạo điều kiện vào đại học, và cổ xúy chương trình Obamacare.[180][181] Ngay từ đầu, Clinton phải đối diện với thách thức lớn từ Thượng Nghị sĩ Bernie Sanders người từ lâu nổi tiếng với lập trường chống lại ảnh hưởng của các tập đoàn và giới giàu có trên chính trường Mỹ.[181][182]

Vào mùa bầu cử sơ bộ, ngày đầu tiên của tháng 2, Clinton thắng sít sao ở Iowa,[184][185] nhưng bảy ngày sau bà thua Sanders ở New Hampshire,[186] rồi giành 5% số phiếu cao hơn Sanders tại Nevada ngày 20 tháng 2.[187] Đến 27 tháng 2, bà thắng tiếp ở South Carolina. Ngày 1 tháng 3 “Siêu thứ Ba”, Clinton giành thắng lợi tại bảy trong số mười một cuộc bầu cử sơ bộ. Sanders thu hút cử tri trẻ, da trắng, dân nông thôn, và cử tri có quan điểm tự do trong khi Clinton có nhiều ảnh hưởng đối với người lớn tuổi, và cử tri trong các khu dân cư đa dạng.[188][189][190][191]

Ngày 6 tháng 6 năm 2016, các phương tiện truyền thông cho biết Clinton đã giành đủ số phiếu cần thiết của các cử tri đoàn và siêu cử tri đoàn để trở thành ứng cử viên của Đảng Dân chủ.[192] Khi kết thúc cuộc vận động, Clinton có trong tay 2 219 phiếu cử tri đoàn, Sanders có 1 832. Người ta ước tính chỉ có 47 phiếu trong tổng số 594 phiếu của siêu cử tri đoàn là dành cho Sanders. Tổng cộng có 17 triệu cử tri chọn Clinton, số người ủng hộ Sanders là 13 triệu.[193][194]

Tại Đại hội Toàn quốc Đảng Dân chủ 2016 tổ chức ở Philadelphia ngày 26 tháng 7 năm 2016, Clinton trở thành người phụ nữ đầu tiên được chọn làm ứng cử viên tổng thống của một chính đảng quan trọng ở Hoa Kỳ.[195] Trong diễn từ chấp nhận sự đề cử, Clinton nói, "Sức mạnh của nước Mỹ không đột nhiên mà đến. Sức mạnh ấy dựa trên trí tuệ, óc phán đoán, sự điềm tĩnh khi giải quyết sự việc, cũng như ứng dụng quyền lực cách chính xác và có chiến lược. Đó là cung cách của vị Tổng Tư lệnh mà tôi cam kết sẽ thực hành."[196]

Một ngày trước đó, cũng tại diễn đàn này, Tổng thống Obama thuật lại những gì ông nhận thấy nơi Hillary Clinton khi bà còn là một thành viên của Nội các, “… Ngay cả khi ở tâm điểm của cuộc khủng hoảng, bà vẫn lắng nghe người khác, vẫn giữ mình điềm tĩnh, và tôn trọng mọi người, bất kể sự xung đột nghiêm trọng đến đâu, bất kể vô số lần người ta muốn đánh gục bà, bà không bao giờ, không bao giờ, bỏ cuộc.” Ông tiếp, “Đó là Hillary mà tôi biết. Đó là Hillary mà tôi ngưỡng mộ.” rồi khẳng định, “không ai – kể cả tôi, Bill [Clinton], hay bất cứ ai khác- xứng đáng hơn Hillary Clinton cho chức vụ Tổng thống Hiệp Chủng Quốc Hoa Kỳ.”[197]

Ngày 8 tháng 11 năm 2016, Clinton đã thất bại trước Donald Trump trong cuộc bầu cử tổng thống Hoa Kỳ.