W wyborach w 2011 był kandydatem do Senatu w okręgu wyborczym nr 8, zgłoszonym przez Komitet Wyborczy Wyborców Rafał Dutkiewicz, wchodzący w skład ruchu Unia Prezydentów – Obywatele do Senatu. Uzyskał 63 717 głosów (41,89%), co dało mu pierwsze miejsce w okręgu i mandat senatorski. Jego kontrkandydatami byli Leon Kieres i Kornel Morawiecki. Jarosław Obremski w tych wyborach jako jedyny kandydat środowiska Obywateli do Senatu został wybrany do izby wyższej polskiego parlamentu. Przystąpił w niej do Koła Senatorów Niezależnych. Związał się ze stowarzyszeniem Obywatelski Dolny Śląsk. W eurowyborach w 2014 poparł listę Polski Razem.

W 2015 z powodzeniem ubiegał się o senacką reelekcję, otrzymując 89 699 głosów (60,55% głosów w okręgu)). Startował jako kandydat niezależny z poparciem prawicy (m.in. PiS i Polski Razem). W Senacie początkowo ponownie przystąpił do KSN, jednak 19 maja 2016 został członkiem klubu Prawa i Sprawiedliwości. W Senacie IX kadencji został wiceprzewodniczącym Komisji Spraw Zagranicznych i Unii Europejskiej. W 2019 nie został wybrany na kolejną kadencję.