在州一级政府任职已无法满足奥巴马的政治雄心。2003年1月，奥巴马宣布竞选联邦参议员。他需要攻克的第一个障碍是2004年3月举行的民主党党内初选。在党内初选前的几周时间里，奥巴马在电视上大打竞选广告，指出自己不仅得到了众多主要的工会组织和主要报纸的支持，也得到了若干伊利诺伊州民主党要员的支持。在这些竞选广告的帮助下，奥巴马在千军万马般的候选人中脱颖而出，成为领头羊。他最终赢得了民主党的提名，所得的选票比所有其他候选人的得票数加在一起还多。

在奥巴马获得参议员候选人提名和最后选举之间的那段时间里，发生了一件改变其政治生涯的大事。他获邀在2004年7月下旬举行的民主党全国代表大会上做主题演讲。奥巴马撰写的演讲稿集中谈论他自己的多文化背景对美国政治的重大意义。在演讲中，奥巴马指出，必须减弱诸如种族之类的社会差异的影响，夯实那些让美国人团结一致的纽带，这被称为他的“后种族、后党派”政治立场。奥巴马在演讲中强调：“既没有一个自由主义的美国，也没有一个保守主义的美国——只有一个美利坚合众国。既没有一个黑人的美国，也没有一个白人的美国、拉丁裔的美国或亚裔的美国——只有一个美利坚合众国。”奥巴马的演讲语惊四座，所有与会者都深受震撼。进入会场时，奥巴马只是一个在州政府工作的无名小卒；走出会场时，他已经成了一个政治明星。结果，他的《父亲的梦想》一书重印，并成了一本畅销书。他自己也成了一个炙手可热的演讲名人，听众对他的反应异常热烈，其影响力与娱乐明星不相上下。

奥巴马既已成为全国的知名人物，他在联邦参议员选举中获胜几乎是毫无悬念了。加之他的共和党对手由于一桩个人丑闻而被迫退出选举，这又大大增加了奥巴马的胜选机会。最后一分钟顶替上场的共和党候补人选是竞选公职屡战屡败的艾伦·凯斯，他浓厚的保守主义立场对伊州选民毫无吸引力。结果，奥巴马以70%的得票率当选联邦参议员，创造了伊利诺伊州选举史上的得票纪录。

奥巴马及其助手对他初入参议院的工作采取了稳扎稳打、步步为营的战略。根据奥巴马办公室主任的安排，他会首先努力展示“他是认真负责的代表伊利诺伊州的联邦参议员”形象。因此，他最初的政策计划便是确保伊利诺伊州获得联邦拨款。接下来，他努力树立兢兢业业、辛勤工作的参议员形象，积极支持民主党的政策议程。这之后，奥巴马才开始集中精力塑造他在全国范围内的口碑，在各种各样的论坛上发表自己对未来的看法。尽管在国会山工作的时间不长，但奥巴马对诸多法案的通过都作出了贡献，其中包括关于武器管制的法律，规范院外游说活动的法律，预防选举舞弊的法律，以及关心伊拉克战争与阿富汗战争老兵的法律。