Ce ne sont pas l’ensemble des Français inscrits sur les listes électorales qui élisent les sénateurs, mais des grands électeurs. Ils sont au total 162 000. Le collège électoral des grands électeurs est composé à 95% par les conseillers municipaux, ainsi que par les conseillers départementaux, régionaux et les parlementaires du département. Le vote est obligatoire pour les sénatoriales. Les grands électeurs encourent une amende en cas de non-respect de cette obligation.

Dans le détail, pour les communes de moins de 9 000 habitants, seulement une partie des conseillers municipaux vote. Dans les communes de 9 000 à 30 000 habitants, tous les conseillers municipaux sont grands électeurs. Pour les communes de plus de 30 000 habitants, des délégués supplémentaires sont désignés par tranche de 800 habitants. Ces délégués sont des personnes de confiance, choisies généralement pour leur proximité politique avec les conseillers municipaux qui les désignent. Trois sénateurs sur quatre sont élus à la proportionnelle. La combinaison de ces deux modes de scrutin renforce le pluralisme au Sénat. En effet, cette part importante de proportionnelle permet aux minorités politiques d’être mieux représentées. En ce qui concerne les sénateurs représentant les Français de l’étranger, ils sont élus par 443 conseillers consulaires, les 68 délégués consulaires et les parlementaires représentant les Français établis à l’étranger.