Senator Brien McMahon avled 1952 i ämbetet och Purtell blev utnämnd till senaten fram till fyllnadsvalet senare samma år. Han kandiderade inte i fyllnadsvalet och efterträddes i november 1952 av Prescott Bush. I stället kandiderade Purtell för mandatet i klass 1. Han utmanade den sittande senatorn William Benton och vann. Purtell tillträdde följaktligen på nytt som senator i januari 1953. Han ställde upp för omval i senatsvalet 1958 men förlorade mot demokratenThomas J. Dodd.
Purtell avled 1978 och gravsattes på Fairview Cemetery i Hartford County.