Al primo turno delle elezioni ottiene il 42,6% dei voti contro il 30,3% del sindaco uscente di centrodestra, Gianni Alemanno. Al ballottaggio del 9 e 10 giugno si impone con il 63,9% dei voti. Viene proclamato sindaco di Roma il 12 giugno 2013 e il 26 giugno presenta la giunta composta per metà da tecnici e nel rispetto della parità di genere.