Les deux représentants vaudois à la chambre des cantons ayant annoncé leur départ peu avant les fédérales de 2023, les élections au Conseil des Etats promettaient une campagne animée. En effet, la sénatrice verte, Adèle Thorens Goumaz, élue depuis 2007 sous la coupole et depuis 2019 à la chambre haute, a décidé de ne pas renouveler son mandat. Quant au sénateur Olivier Français (plr), il a également annoncé son retrait, à l'âge de 67 ans, après quatre législatures au Palais fédéral, dont deux au Conseil des Etats. De plus, une nouveauté a été introduite: cette élection au système majoritaire à deux tours s'est déroulée pour la première fois dans le canton avec le système du bulletin unique. C'est-à-dire que tous les candidats pour le Conseil des États étaient inscrits sur le même bulletin de vote, remplaçant les listes partisanes. L’ordre des noms sur le bulletin a été défini par tirage.
Pour repourvoir les deux sièges vacants du canton de Vaud, 13 candidates et candidats ont été présentés au premier tour. Le parti socialiste, bien décidé à reconquérir son fauteuil sénatorial perdu en 2019 avec le départ de Géraldine Savary et regagné par la verte Adèle Thorens Goumaz, a d'abord dû faire face à un duel entre deux figures emblématiques du parti: Roger Nordmann et Pierre-Yves Maillard. C'est lors de son congrès en 2022, que le parti à la rose a départagé les deux conseillers nationaux et désigné Pierre-Yves Maillard comme candidat aux Etats et accordé à son concurrent une dérogation pour un cinquième mandat au national. Pour rejoindre le premier candidat sur le ticket de la gauche, les Vert.e.s vaudois ont préféré le conseiller national Raphaël Mahaim à Séverine Evéquoz, alors présidente du Grand Conseil vaudois. En réaction au ticket entièrement masculin de la gauche, les jeunes socialistes et les jeunes Vert.e.s ont lancé chacun une candidate dans la course à la chambre haute, à savoir Margarida Janeiro (js) et Angela Zimmermann (jv), choix pourtant critiqué en raison du risque de dispersion des voix de la gauche.
Pour reprendre le fauteuil du PLR, ce sont la conseillère nationale Jacqueline de Quattro et le conseiller d'Etat Pascal Broulis qui se sont confrontés. Face au ticket rose-vert, l'Alliance vaudoise a proposé un ticket PLR-UDC, composé finalement du PLR Pascal Broulis et de l'UDC Michaël Buffat.
Pour le reste des candidatures, les Vert'libéraux ont mis en avant la conseillère nationale Céline Weber, le mouvement centriste des Indépendants vaudois a pour sa part proposé François Meylan pour le représenter, Les Libres ont affiché Emmanuel Gétaz et le POP a misé sur Anaïs Timofte et Zakaria Dridi. La coalition Ensemble à gauche a complété le tableau avec ses trois candidat.e.s: Hadrien Buclin (Solidarités), Elodie Lopez (Décroissance alternative) et Ella-Mona Chevalley (Solidarités & Ecologie). Le Centre ne briguera pas de siège et a annoncé soutenir le ticket PLR-UDC.
Pour sa campagne, le duo vert-rose a misé d'une part sur l'amélioration des conditions de travail, le renforcement des rentes et le blocage du taux de référence pour les loyers, et d'autre part sur un plan climat national, une souveraineté alimentaire renforcée et une meilleure égalité entre hommes et femmes. De l'autre côté de l'échiquier politique, la droite a proposé une campagne centrée sur l'innovation, avec une priorité sur la défense du pouvoir d'achat face à la hausse de l'inflation et des taux d'intérêt. Le deuxième point de la campagne était la défense des sécurités, notamment la sécurité énergétique munie d'une production helvétique ou le renforcement de l'armée. Les deux candidats se sont dit prêts à défendre les intérêts de leur canton sur des thèmes comme l'agriculture, les infrastructures ferroviaires ou la formation. Deux semaines avant les élections, la campagne PLR-UDC a cependant été mise à mal avec un «scandale» paru dans les journaux, accusant Michaël Buffat de violences conjugales. Le principal intéressé a démenti les faits. Le président de l’alliance vaudoise a affirmé, selon Le Temps, que son alliance restait malgré tout soudée. Le candidat agrarien n'étant plus en mesure de se retirer après le dépôt des listes, selon la loi sur l’exercice des droits politiques du canton de Vaud, a dû rester dans la course aux Etats.
Au premier tour, Pierre-Yves Maillard a réussi l'exploit de se faire élire avec un score de 101'880 suffrages (52.3%) remportant ainsi la majorité absolue des voix fixée à 97'407. Le succès de sa campagne était lié aux thèmes abordés, tels que l'AVS, les revenus, les loyers, ou les caisses maladies, qui sont des préoccupations dépassant les frontières partisanes. Il disposait d'une avance confortable sur Pascal Broulis (85'171, 43.7%), qui a donc été ballotté vers le second tour. Comme rapporté par le 24heures, le libéral s'est dit «serein pour le second tour». Michaël Buffat et Raphaël Mahaim ont récolté respectivement 52'518 (27.0%) et 48'087 suffrages (24.7%). Le dégât d'image suite à «l'affaire Buffat» a donc été limité. L'alliance de droite a cependant vu son espoir s'envoler de récupérer les deux fauteuils à son avantage. Dernière candidate au-dessus des 10 pourcent, Céline Weber a été créditée de 26'243 voix (13.5%), alors que les autres candidat.e.s ont terminé plus loin. Comme une seule candidature a atteint la majorité absolue, un deuxième tour a été nécessaire pour compléter le tirage. La participation aux urnes a été de 43.3 pourcent des vaudois.e.s pour ce premier tour des élections fédérales. Selon 24heures, le nouveau système du bulletin unique a permis de réduire le nombre de bulletins nuls par trois en raison de sa simplicité.
Après les résultats du premier tour, l'UDC Michael Buffat a annoncé se retirer de la course pour laisser toutes ses chances à son allié. L'Alliance vaudoise a invité Raphaël Mahaim à faire de même pour éviter les frais que coûterait un deuxième tour au canton, estimés à CHF 700'000 francs. Le député vert a, malgré les recommandations du camp opposé, voulu poursuivre et a appelé à «une grande alliance écologiste et progressiste qui dans ce canton peut faire plus que l'Alliance de droite». Les socialistes ont décidé à l'unanimité de soutenir le candidat vert. L'enjeu du deuxième tour a donc été de savoir lequel des deux candidats les Vert'libéraux allait rallier , qui étaient en mesure de faire la différence parmi l'électorat. Le parti vert'libéral a finalement décidé de laisser la liberté de vote à ses membres.
Les résultats du deuxième tour ont révélé, sans grande surprise, que c'était le libéral Pascal Broulis qui allait rejoindre le socialiste Pierre-Yves Maillard à la Chambre haute. Parti favori sur le vert Raphaël Mahaim au premier tour, l'ancien conseiller d'Etat vaudois libéral a été élu avec 89'058 suffrages (53.6%) contre 74'648 voix (44.9%) pour son adversaire et a ainsi sauvé le siège de son parti. Pierre-Yves Maillard a mis en avant le fait que: «Le résultat est plus serré que ce que certains pronostiquaient». Raphaël Mahaim, perdant ainsi le fauteuil des Vert.e.s au Conseil des Etats, continuera à siéger au Conseil national. Le sénateur du PLR partant, Olivier Français, a salué son remplaçant dans 24heures: «Cela fait plaisir d’être remplacé par des gens de qualité. C’est un bon duo pour représenter le canton à Berne». En effet, le tandem d'anciens conseillers d'Etat, surnommé «Brouillard et Malice» est ainsi reformé.
Pour ce deuxième tour, ce n'est plus que 37.0 pourcent de la population vaudoise qui s'est rendue aux urnes. Du point de vue de leurs campagnes de communication, Pascal Broulis est le sénateur romand ayant bénéficié du financement le plus élevé, soit un montant de CHF 287'005 selon CH Media. Son principal concurrent, Pierre-Yves Maillard disposait lui d'un montant environ trois fois moins élevé, à savoir CHF 90’519.