Statshusets talman Thom Tillis besegrade Mark Harris och Greg Brannon, som betraktades som upproriska kandidater.
Tillis undvek ett avhoppsval genom att tjäna 46 % av rösterna i åttapersonerstävlingen på tisdag.
Republikanerna strävar efter att bryta senatens kontroll från demokraterna i november.
"Jag vill åka till Washington och städa upp Kay Hagans röra," Mr Tillis berättade supportrar.
"Om vi vill ändra röran av Obamacare, vi måste ändra vår senator," sade han, hänvisar till president Barack Obamas signatur sjukvård reform lag, som republikanerna enhetligt föraktar.
"North Carolina resultaten är en stark indikation på att GOP rank och fil genomgår en övergång från prioritering renhet till prizing seger." - James Hohmann, politico.
"Även om det stöds av etablissemangskrafter och, som en före detta managementkonsult, lätt framställs som ett processorienterat verktyg för partiets affärsintressen, har Tillis några konservativa bona fides." - Eliana Johnson, Nationell granskning
"Om denna ras är någon indikation, "Republikanska inbördeskriget" historia så älskad av puddingar under de senaste åren kan behöva pensioneras." - Molly Ball, Atlanten.
"För konservativa var Thom Tillis det värsta möjliga resultatet i North Carolina." - Eric Erickson, RedState blogg
För mer, besök BBC: s Echo Chambers blogg
Republikanerna har försökt utnyttja Demokratiska USA-president Barack Obamas låga godkännande betyg och missnöje med hälso-och sjukvårdslagen i deras försök att brottas sex platser från demokrater och ta kontroll över den amerikanska senaten i november.
"Thom Tillis har tillbringat sin tid i Raleigh med att driva en agenda för särintressen som har riggat systemet mot medelklassfamiljer", skrev Hagan i ett uttalande. "Detta är inte en agenda som fungerar för arbetande familjer, och hans prioriteringar är ur synk med våra gemensamma North Carolina värderingar."
Hagan valdes i 2008 års demokratiska våg och ses som sårbar i sitt första förslag till omval.
På andra ställen på tisdagen besegrade den republikanska kammarens talman John Boehner lätt två kandidater som var knutna till högerpopulistiska tepartirörelsen i det republikanska primärvalet i Ohio.
Republikansk kongressledamot Susan Brooks slog också utmanare, vann 75% av primära röster i Indiana.
I synnerhet North Carolinas primärrätt betraktades som ett prov på den republikanska etablissemangets förmåga att utöva sitt inflytande på nomineringsprocessen och hålla fler söndrande tepartikandidater utanför omröstningen i november.
Under valcyklerna 2010 och 2012 såg det republikanska partiet på när populära tepartikandidater vann partiprimärer bara för att flamma upp i det allmänna valet eftersom deras starka retorik stängde av oberoende väljare.
En kandidat till North Carolina Senaten som backas upp av Republikanska Partiet har vunnit partiets nominering för att möta Demokratiska Senator Kay Hagan i november valet.