W wyborach parlamentarnych w 2015 uzyskała mandat senatora IX kadencji w okręgu olsztyńskim, otrzymując 63 870 głosów. Startowała z własnego komitetu „Lidia Staroń – Zawsze po stronie ludzi”, pokonując kandydatów PO i PiS. Została przewodniczącą Koła Senatorów Niezależnych, które rozpadło się w połowie czerwca 2016, w związku z czym została senatorem niezrzeszonym. W izbie wyższej parlamentu dołączyła do Komisji Praw Człowieka, Praworządności i Petycji oraz do Komisji Ustawodawczej. W marcu 2018 doznała poważnego udaru mózgu (utraciła mowę), następnie była intensywnie rehabilitowana. W wyborach w 2019 z powodzeniem ubiegała się o senacką reelekcję z tożsamego komitetu, uzyskując 106 035 głosów (najwyższy wynik wśród kandydatów niezależnych). Została przewodniczącą powołanego ponownie KSN.
W maju 2021 została kandydatką na stanowisko rzecznika praw obywatelskich rekomendowaną przez Prawo i Sprawiedliwość. 15 czerwca 2021 jej kandydatura została zaakceptowana przez Sejm (za jej kandydaturą zagłosowało 231 z 455 biorących udział w głosowaniu posłów, jej kontrkandydat Marcin Wiącek otrzymał 222 głosy „za”). 18 czerwca 2021 jej kandydatura została odrzucona przez Senat („za” zagłosowało 45 z 99 biorących udział w głosowaniu senatorów).