28 lipca 2011 złożył dymisję ze stanowiska ministra, a 2 sierpnia 2011 został odwołany przez prezydenta RPPostanowienie Prezydenta Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 2 sierpnia 2011 r. nr 1131-4-2011 o zmianie w składzie Rady Ministrów ().. Okres kierowania MON przez Bogdana Klicha był krytykowany przez część prasy fachowej. W szczególności zarzucano ministrowi brak planowania rozwoju i przypadkowe zakupy niepotrzebnego sprzętu.
W wyborach w 2011 uzyskał mandat senatora z ramienia PO. Kandydując w okręgu nr 33, otrzymał 95 439 głosów. W 2015 z powodzeniem ubiegał się o reelekcję (dostał 71 852 głosy). W Senacie IX kadencji był przewodniczącym grupy senatorów klubu parlamentarnego Platformy Obywatelskiej. W wyborach w 2019 został ponownie senatorem, otrzymując 123 080 głosów. Po wyborach objął funkcję przewodniczącego Komisji Spraw Zagranicznych i Unii Europejskiej.
W wyborach w 2023 również uzyskał mandat senatora, otrzymując 184 334 głosy. W XI kadencji został przewodniczącym Komisji Spraw Unii Europejskiej. Powoływany w skład Zgromadzenia Parlamentarnego Rady Europy.