ג'ו ביידן מונה רשמית למועמדות המפלגה הדמוקרטית לנשיאות ארצות הברית בבחירות 2020, זאת לאחר שהשיג את 1,991 הצירים הדרושים לקבלת המינוי, ויתמודד נגד הנשיא טראמפ בבחירות בנובמבר. ביידן השיג את הצירים עם קבלת תוצאות הפריימריז שנערכו ביום שלישי האחרון בשבע מדינות ובמחוז קולומביה, מושבה של בירת ארצות הברית וושינגטון די. סי.
"חברים, הלילה השגנו את 1,991 הצירים הדרושים כדי לזכות במועמדות הדמוקרטית", כתב ביידן בטוויטר. "אני הולך לעבוד כל יום במאבק להרוויח את הקול שלכם, כדי שביחד נוכל לנצח בקרב למען נשמתה של האומה הזאת". על ההתמודדות בפריימריז אמר ביידן: "היה לי הכבוד להתמודד לצד אחת מקבוצות המועמדים המוכשרת ביותר שהתמודדה אי פעם, ואני גאה לומר שאנחנו מגיעים לבחירות הכלליות האלה כמפלגה מאוחדת".
מועמדותו של ביידן הייתה ידועה עוד מאפריל, אז פרש מהמירוץ יריבו העיקרי, סנטור ברני סנדרס. לביידן הייתה התחלה איטית יחסית במירוץ והוא רשם את ניצחונו הראשון בפברואר. לאחר מכן, חלק מהמתמודדים המרכזיים במפלגה החלו לפרוש עוד לפני "יום שלישי הגדול" שנערך בחודש מרץ ובו זכה ביידן כמועמד המוביל. ביידן נותר אז מול סנדרס בלבד, המועמד שהוביל בשלבים הראשונים של המירוץ, והחל להדביק אותו. בסופו של דבר פרש סנדרס מהמירוץ לאחר שנגיף הקורונה החל להתפשט והפך את קמפיין הבחירות לבלתי אפשרי.
ביידן נמנה עם האגף הפרו-ישראלי במפלגה הדמוקרטית. הוא הביע הצהרות נחרצות לגבי ישראל, וטען כי יש לה זכות להגן על עצמה. הוא נחשב לאוהד של מדינת ישראל ורואה את ישראל כבעלת ברית אסטרטגית חשובה במזרח התיכון. באוקטובר 2008 הצהיר ביידן כאשר נועד עם מצביעים יהודים בפלורידה, מדינה חשובה מבחינה אלקטורלית, כי "ככל שאמריקה חזקה יותר, כך ישראל בטוחה יותר".
ב-2016 הגיע ביידן לביקור בירושלים, שם נפגש עם ראש הממשלה בנימין נתניהו ועם הנשיא ראובן ריבלין. כמו כן, הוא מתח ביקורת על כך שאבו מאזן לא גינה את הפיגועים שאירעו בישראל במהלך ביקורו. בפגישה עם ריבלין אמר ביידן כי מיגור הטרור הפלסטיני לא ייפסק רק באמצעות כוח הזרוע וקרא לפתירת הסכסוך בשיחות שלום.
ביידן מכחיש את הידיעות לפיהן שידל מנהיגי מדינות זרים להצביע בעד החלטה 2334 של מועצת הביטחון של האו"ם. העובדה שארצות הברית לא הטילה וטו על ההחלטה, שקבעה ש"ההתנחלויות הישראליות בשטחי הגדה המערבית ומזרח ירושלים אינן חוקיות", נתפסה כביטוי לשפל ביחסי ארצות הברית-ישראל.
לאחרונה הצהיר כי אם ייבחר לנשיאות, ישאיר את השגרירות האמריקאית בירושלים. ביידן אמנם מתח ביקורת על האופן בו ביצע הנשיא המכהן, דונלד טראמפ, את העברת השגרירות לירושלים, אך הכריז כי לא יבטל את ההחלטה. סגן הנשיא לשעבר אמר בחודש שעבר באירוע התרמה וירטואלי כי "סיפוח ישראלי יחנוק כל סיכוי לשלום".
