MDP planowała pierwotnie wystawić urzędującego burmistrza Goh Kuna, ale ten ogłosił, że nie zamierza ubiegać się o reelekcję. W tej sytuacji Kim stał się jednym z „nowych twarzy” partii, obok Choo Mi-ae. 25 lutego 2002 roku ogłosił udział w partyjnych prawyborach, a 2 kwietnia zdobył 52,1% głosów i pokonał Lee Sang-su.
Kampanię prowadził pod hasłami: „Nowa era potrzebuje nowego lidera” oraz „Nowy start – teraz jakość życia”. Obiecywał m.in. ekologiczne zmiany: wprowadzenie autobusów na gaz ziemny, zaostrzenie kontroli zanieczyszczeń powietrza i przewidywalność decyzji władz miejskich.
W wyborach zmierzył się z kandydatem rządzącej Wielkiej Partii Narodowej (GNP), Lee Myung-bakiem, który później został prezydentem. Choć początkowo prowadził w sondażach, poparcie obu kandydatów szybko się zrównało. Po rozpoczęciu oficjalnej kampanii część jego zwolenników obawiała się, że Kim przegra z powodu niskiej frekwencji. 13 czerwca, w cieniu trwających Mistrzostw Świata FIFA 2002 i afery korupcyjnej z udziałem synów prezydenta, Kim zdobył jedynie 43,02% głosów, przegrywając z Lee (52,28%).