此時，41歲的奧巴馬仍然是一個微不足道的州參議員，一個得不到非洲裔群體支持的非洲裔政客，一個芝加哥權力核心的邊緣人。在失敗中，奧巴馬抓住了一線生機。2002年秋，在州議會待了不到6年的奧巴馬，找到該州新上任的參院民主黨領袖E.瓊斯，說服後者讓他代表伊利諾伊州民主黨競選2004年的聯邦參議員。這是個比他兩年前落選的國會眾議員席位更重要的位置，但瓊斯看好奧巴馬的潛力，願意冒這個險。他利用自己的影響力打擊黨內其他參選人，為奧巴馬贏得關鍵的競選空間，還幫奧巴馬組織了龐大的非洲裔支持隊伍——這些條件都是奧巴馬先前所沒有的。
與此同時，奧巴馬也不忘自我改造。他從2000年開始造訪區內各個黑人教堂，學習黑人牧師講話的節奏和誇讚的神態，幾乎從不錯過每個星期在黑人教堂發言的機會，不斷強調自己對於基督教的信仰。每當有人質疑奧巴馬真正的種族身份時，他就把自己的牧師、在當地非洲裔群體中擁有廣泛影響力的傑裏邁亞·賴特搬出來。果然，2004年聯邦參議員選舉中，賴特為他贏得了大量基礎選民。此外，在長期的法律工作經曆中，在酒吧裏的撲克牌聯誼中，奧巴馬也得到了很多小鎮律師的支持。而為了獲得競選經費，奧巴馬一家甚至把公寓拿出去抵押了。最終，由於他的對手霍爾卷入家庭虐待，奧巴馬以52.8%的支持率贏得了伊利諾伊州民主黨聯邦參議員候選人的資格。
此時在與共和黨人的對決中，奧巴馬已是勝券在握。早前的民調中，他以22點的優勢領先其共和黨對手、前電台非洲裔主播艾倫·凱耶斯。於是，他在2004年7月27日以一個候選聯邦參議員的身份，應邀在民主黨全國代表大會上發表主題演講。奧巴馬不負眾望，一講成名，3個月後，他以70∶27的高票當選為聯邦參議員，成了美國曆史上第五位，同時又是第三位普選產生的非洲裔聯邦參議員，也是目前國會中唯一一位非洲裔參議員。由此，奧巴馬正式登上全國政治舞台。
總統夢
2005年1月4日，奧巴馬宣誓就任聯邦參議員，但他在國會100名參議員中排名僅第98位。他在伊利諾伊州家裏曾開玩笑說，排名第98位的參議員意味著他唯一的任務是削鉛筆。奧巴馬當然不甘於此，他聘請成立了一組被廣泛認可、高層次的顧問團，致力於超出新科參議員常規要求的廣泛議題。奧巴馬的英俊外表和溫柔語調常常掩蓋了表象下的執著雄心。或許人們從不懷疑他遲早會出人頭地，但他崛起的速度還是令他們大吃一驚。
由於2004年7月波士頓那場著名演說的廣泛影響，奧巴馬來到首都華盛頓後，頻頻登上雜誌封麵，他早年的自傳《父親的夢想》有聲版不久也贏得格萊美“最佳朗讀專輯”獎。奧巴馬趁熱打鐵，出版了自己的第二本著作《無畏的希望》，書名取自他波士頓演說的題目，也是牧師賴特一段布道的中心詞。奧巴馬在書中指出了所有總統候選人的通病：“一種無止盡的不安分；不能欣賞眼前事物的缺陷。”的確，奧巴馬對於在國會山推動立法興趣不大，他把大量精力花在為本黨候選人競選公職拉票上，以此換取後者對自己的支持。所以當他的新書出版後，媒體就有這樣的副標題：“他會是2008年的總統候選人嗎？”
謎底在2006年10月初步揭曉，那時奧巴馬第一次說他已“考慮競選總統的可能性”，而不是先前聲明的要幹完到2010年的參議員任期。民調機構隨後把他的名字加入民主黨的候選人調查名單。在2006年11月的第一次民調中，奧巴馬以17%的支持率排名第二，而希拉裏以28%的支持率名列第一。這時，在媒體的炒作下，不僅伊利諾伊州的一幫政客勸他參選，娛樂界眾多明星包括奧普拉·溫弗瑞、梅西·格雷、喬治·克魯尼、哈莉·貝瑞和威爾·史密斯等，也紛紛表示願意為奧巴馬競選充當幫手；矽穀的技術天才們則幫他設計了後來讓多達150萬人為他捐款的“散戶”與“大戶”結合的網上募捐係統。
2007年2月10日，在伊利諾伊州首府斯普林菲爾德，奧巴馬終於宣布參選2008。他借用林肯1858年在此地著名演講《分裂的房子》的寓意稱：“我們能打造一個更有希望的美國。在林肯呼籲結束分裂、團結一致的老議會前，希望和夢想仍在延續。”
當奧巴馬試圖突破白人擔當美國總統200多年的曆史時，他首先在黨內遭遇了挾前第一夫人氣勢與人脈洶洶而來的希拉裏。在第一個初選州艾奧瓦，他幸運地拔得頭籌，往後與希拉裏互有勝負。不過，不像希拉裏在競選初期隻賭大州，甚至以為在2月5日“超級星期二”之後可以結束競選，慶祝勝利，奧巴馬看得更為長遠，提前預測到5月6日北卡羅來納州的初選將給對手“決定性的一擊”。而他在戰術上堅持的是“不放棄任何一張代表票”，搶攻被對手忽略的小州和以黨團會議舉行預選的州。憑著信念與年輕的本錢，他馬不停蹄，終於在經曆26場辯論並耗費上億美元競選經費之後，以在總共56場預選中贏得33場，領先對手200多張宣誓代表票的優勢擊敗後半程一直指望靠佛羅裏達、密歇根兩州重新計票及由超級代表投票挽回敗局的希拉裏，成為迄今美國“離總統寶座最近”的非洲裔候選人。