24 grudnia 1968 został senatorem z Alaski. Po śmierci senatora Bartletta gubernator Walter Joseph Hickel mianował go na wakujące miejsce. Aczkolwiek w tym samym roku wybrano do senatu z Alaski demokratę Mike’a Gravela, objął on jednak urząd dopiero 3 stycznia 1969, co automatycznie dało Stevensowi pierwszeństwo (ang. Senior Senator). Tak więc starszym senatorem był niemal cały czas od objęcia urzędu, z wyjątkiem 10 dni (dla porównania Robert Byrd najdłużej służący senator nie tylko w obecnym Kongresie, ale i w całej historii amerykańskiej, został starszym senatorem dopiero w 1985, a zasiada od 1959. Inny z najstarszych stażem senatorów, Fritz Hollings, zasiadał w latach 1966–2003 wraz ze Stromem Thurmondem, a starszeństwo dzierżył tylko przez ostatnie dwa lata, czyli 2003–2005).
Wybierano go ponownie na ten urząd w latach 1970, 1972, 1978, 1984, 1990, 1996 i 2002. Jego kadencja upłynęła w roku 2008.
Po przejęciu w roku 2002 przez republikanów kontroli nad senatem, Stevens, jako najdłużej służący republikański senator przejął z rąk demokraty Roberta Byrda urząd przewodniczącego pro tempore Senatu, czyli formalnie czwartej osoby w państwie. Sprawował go 4 lata do 4 stycznia 2007, kiedy, po stracie większości przez republikanów, ponownie został nim Byrd.