Kongressledamoten Heather Wilson ställde inte upp för omval i kongressvalet 2008. Hon förlorade i stället i republikanernasprimärval inför senatsvalet. Heinrich besegrade republikanen Darren White i kongressvalet och efterträdde Wilson i representanthuset i januari 2009. Wilson var Heinrichs huvudkonkurrent i senatsvalet den 6 november 2012, vari han besegrade henne genom att erhålla 51 procent av rösterna mot hennes 45.
Martin Heinrich ställde upp i omval år 2018 för en andra mandatperiod som senator.[1]Primärvalet för båda partier var den 5 juni 2018.[2] Heinrich vann lätt den demokratiska nomineringen med 100 procent av rösterna eftersom han hade inga utmanare, och mötte affärsmannen Mick Rich från New Mexico.[3] Heinrich omvaldes till en andra mandatperiod under 2018.