श्वार्ज़नेगर ने 2003 कैलिफोर्निया पुनर्मतदान में कैलिफोर्निया के गवर्नर के लिए अपनी उम्मीदवारी की घोषणा 6 अगस्त 2003 को "द टूनाइट शो विथ जे लीनो" के एपिसोड में की। पुनर्मतदान में एक प्रत्याशी के रूप में श्वार्ज़नेगर की पहचान भीड़ जुटाने वाले उम्मीदवारों में की गयी, किन्तु उन्होंने कोई सार्वजनिक पद नहीं लिया और उनके राजनीतिक विचारों से ज्यादातर कैलिफोर्नियावासी अनजान हैं। उनकी उम्मीदवारी तत्काल राष्ट्रीय और अंतर्राष्ट्रीय मीडिया खबर बन गयी और मीडिया केन्द्रों ने उन्हें "गवर्नेटर" (Governator) की उपाधि दी ("द टर्मिनेटर" -The Terminator फिल्म के संदर्भ के लिए ऊपर देखें) और "द रनिंग मैन"-The Running Man (उनकी फिल्मों में से एक और नाम) तथा पुनर्मतदान को याद करते हुए "टोटल रिकाल"-Total Recall (श्वार्जनेगर अभिनीत एक और फिल्म). श्वार्ज़नेगर ने कई अन्य याद प्रतिस्थापन उम्मीदवारों के साथ बहस में भाग लेने से इनकार कर दिया और 24 सितंबर 2003 को केवल एक ही बहस में हिस्सा लिया।

7 अक्टूबर 2003 को पुनर्मतदान में आये परिणाम में गवर्नर ग्रे डेविस को अपने पद से हटना पड़ा क्योंकि पुनर्मतदान के पक्ष में 55.4% "यस" (Yes) वोट पड़े. श्वार्ज़नेगर कैलिफोर्निया के गवर्नर निर्वाचित किये गये, उन्हें दूसरे प्रश्न के अंतर्गत डेविस के उत्तराधिकारी चुनने के लिए हुए मतदान में 48.6% वोट मिले। श्वार्ज़नेगर ने डेमोक्रेट क्रूज़ बस्टामेंटे, साथी रिपब्लिकन टॉम मैक क्लिंटोक और दूसरों को हरा दिया। उनके निकटतम प्रतिद्वंद्वी बस्टामेंटे को 31% वोट प्राप्त किया। श्वार्ज़नेगर ने कुल 1.3 मिलियन वोटों से चुनाव जीता। कैलिफोर्निया के संविधान के नियम के अनुसार अब किसी और चुनाव की आवश्यकता नहीं थी। 1862 में जन्म से आयरिश मूल के गवर्नर जॉन जी. डोनी के बाद श्वार्ज़नेगर कैलिफोर्निया के पहले विदेश में पैदा हुए गवर्नर बने।

जैसे ही श्वार्ज़नेगर गवर्नर चुने गये विली ब्राउन ने कहा कि वे गवर्नर के पुनर्मतदान के लिए अभियान शुरू करेंगे। श्वार्ज़नेगर समान रूप से उस भ्रष्टाचार के आरोपित हैं जिसके बारे में वे मानते थे कि उसी के सफाये के लिए उन्हें जनादेश मिला था। अपने बॉडीबिल्डिंग कॅरियर का अनुकरण करते हुए एक नकल उतारने की पार्टी में एक मुहावरे के आधार पर श्वार्जनेगर ने डेमोक्रेटिक राज्य नेताओं को "गर्लिए मेन"-girlie men(लड़कियों की पसंद का पुरुष) कहा ("सटरडे नाइट लाइव" -Saturday Night Live की नकल का संदर्भ जिसे "हैन्स एंड फ्रांज"-Hans and Franz कहा जाता है).

श्वार्ज़नेगर की प्रारम्भिक विजय में वाहन पंजीकरण शुल्क में एक अलोकप्रिय वृद्धि को निरस्त करना साथ ही अवैध अप्रवासियों को दिये जाने वाले चालकों का लाइसेंस रोकना शामिल था, किन्तु बाद में उन्हें तब आघात लगा जब राज्य के शक्तिशाली संगठनों ने उनके विभिन्न प्रयासों का विरोध शुरू किया। राजनीतिक वास्तविकताओं के साथ उनका साबका तब हुआ जब नवंबर 2005 में एक विशेष चुनाव में जिन चार मतदान उपायों को उन्होंने प्रायोजित किया था, उसमें हार गये। श्वार्ज़नेगर ने हार के लिए व्यक्तिगत जिम्मेदारी स्वीकार की और कैलिफोर्निया के लोगों के लिए आम सहमति की तलाश जारी रखने की कसम खायी. बाद में उन्होंने टिप्पणी की कि "तब कोई भी जीत नहीं सकता अगर विपक्षी 160 मिलियन डॉलर तुम्हें हराने के लिए लगा दे."

श्वार्ज़नेगर ने तब साथी रिपब्लिकन रणनीतिकारों की सलाह के खिलाफ जाकर अपने स्टाफ के प्रमुख के रूप में एक डेमोक्रेट सुसन कैनेडी को नियुक्त किया। श्वार्ज़नेगर धीरे-धीरे एक अधिक उदार राजनीतिक स्थिति की ओर चले गये, एक विजेता की विरासत के निर्माण को प्रतिबद्धता के साथ सुनिश्चित करने की, जबकि अगले गवर्नर के चुनाव को कुछ ही समय बाकी रह गया था।

वह अपने साथी कलाकार के साथ दिखायी दिये
जैकी चान के साथ "अराउंड द वर्ल्ड इन 80 डेज" में, जो दुनिया भर के कॉपीराइट के उल्लंघन का बचाव करने का एक सरकारी विज्ञापन था।

श्वार्ज़नेगर ने पुनः कैलिफोर्निया राज्य के कोषाध्यक्ष डेमोक्रेट फिल एंजेलिडेज के खिलाफ 2006 का चुनाव लड़ा जो 7 नवम्बर 2006 को आयोजित हुआ। हालांकि यह वर्ष राष्ट्रीय स्तर पर रिपब्लिकन पार्टी के लिए खराब रहा किन्तु श्वार्ज़नेगर यह चुनाव दुबारा 56.0% वोटों के साथ जीते जबकि उनकी तुलना में एंजेलिडेज को 38.9% वोट मिले, दोनों के बीच एक मिलियन से अधिक वोटों का फासला था। हाल के वर्षों में कई विश्लेषकों ने दक्षिणपंथी विचारधारा (right) से दूर जाते और राजनीतिक स्पेक्ट्रम के केंद्र की तरफ जाते हुए देखा है। 2006 के मार्टिन लूथर किंग, जूनियर के नाश्ते पर श्वार्ज़नेगर द्वारा दिया गया भाषण सुनने के बाद सैन फ्रांसिस्को के मेयर गेविन न्यूसम ने कहा कि, "[वे] एक डेमोक्रेट हो गये हैं [... वे] वापस लौट रहे हैं, केंद्र की ओर नहीं. मैं केंद्र-के बायें कहूंगा."

यह अफवाह उड़ी थी कि श्वार्जनेगर 2010 में संयुक्त राज्य अमेरिका की सीनेट का चुनाव लड़ेंगे, क्योंकि उनकी गवर्नरशिप का कार्यकाल उस समय सीमित था।
श्वार्ज़नेगर की अनधिकृत जीवनी लिखने वाली वेंडी लिघ का दावा है कि उन्होंने एक निराशाजनक घर से भागने के लिए कम उम्र में ही फिल्म व्यवसाय और बॉडीबिल्डिंग का उपयोग कर एक अवरोध का निर्माण किया जहां से उन्होंने अपने राजनैतिक विकास की योजना बनाई। लिघ ने श्वार्ज़नेगर का चित्रण करते हुए उन्हें सत्ता से ग्रस्त बताया है और यह कहते हुए उन्हें उद्धृत किया है, "मैं उन कम प्रतिशत वाले लोगों का हिस्सा बनना चाहता था जो नेता थे, अनुयायियों का बड़ा हिस्सा नहीं। क्योंकि मुझे लगता है कि नेता अपनी क्षमता का 100% इस्तेमाल करते हैं मैं हमेशा लोगों को दूसरे लोगों पर नियंत्रण करता देख रोमांचित होता था। श्वार्ज़नेगर ने कहा है कि उनका राजनीति में प्रवेश का इरादा कभी नहीं था, लेकिन वे कहते हैं, "मैंने एक राजनैतिक परिवार में शादी की। तुम उनके साथ हो सकते हो और तुमने नीति के बारे में सुना है कि लोगों की मदद नहीं कर सकते. मेरा यह विचार उजागर हो चुका था कि मैं एक सरकारी कर्मचारी बनना चाहता था और यूनीसे और सार्जेंट श्राइवर मेरे नायक बन गये थे। यूनीसे कैनेडी श्राइवर जॉन एफ. कैनेडी की बहन थी और श्वार्जनेगर की सास थी, सार्जेंट श्राइवर यूनीसे का पति थे और श्वार्जनेगर के ससुर थे। "टाइम" पत्रिका के वर्ष 2005 की जारी समीक्षा के मुताबिक श्वार्ज़नेगर के समर्थकों का लक्ष्य था कि संविधान में संशोधन हो ताकी वे संयुक्त राज्य अमेरिका के राष्ट्रपति पद पर आसीन हों, मौजूदा स्थिति में ऐसा संभव नहीं है क्योंकि वे संयुक्त राज्य अमेरिका के जन्म से स्वाभाविक नागरिक नहीं हैं। "द सिम्पसंस मूवी" -The Simpsons Movie में श्वार्ज़नेगर ने राष्ट्रपति का किरदान निभाया है और सिलवेस्टर स्तललोने की फिल्म "डिमोलेशन मैन" में इस बात को उजागर किया गया है कि संविधान में एक संशोधन पारित किया गया है जो उन्हें राष्ट्रपति पद पर आसीन होने की अनुमति देता है।

श्वार्ज़नेगर की एक आस्ट्रिया/अमेरिका की दोहरी नागरिकता है। वे जन्म से ऑस्ट्रियाई नागरिकता रखते हैं और 1983 में अमेरिका की नागरिकता प्राप्त की। ऑस्ट्रियन और फिर यूरोपियन होने के नाते वे कैलिफोर्निया ग्लोबल वार्मिंग समाधान अधिनियम 2006 के तहत पर्यावरण परिवर्तन के खिलाफ कार्रवाई के लिए 2007 का यूरोपियन वाइस कम्पेनर ऑफ़ द ईयर अवार्ड जीतने में कामयाब रहे और अमेरिका और अन्य राज्यों संभवतः यूरोपीय संघ (EU) के साथ एक उत्सर्जन व्यापार योजना शुरू करने की योजना बनायी। फिर भी, श्वार्ज़नेगर की पहचान हमेशा उनकी अमेरिकी नागरिकता के साथ रही है और उन्होंने अपने विदेशी जन्म से परे कैलिफोर्निया राज्य के लिए बड़ा आकर्षण दिखाया है।

श्वार्ज़नेगर अपने गवर्नर पद का प्रति वर्ष 175,000 डॉलर वेतन स्वीकार नहीं करते.

2008 के अमेरिकी राष्ट्रपति चुनाव के रिपब्लिकन प्राइमरी में श्वार्ज़नेगर को अत्यधिक समर्थन मिला; हालांकि उम्मीदवारों रुडी गियुलियानी और सीनेटर जॉन मैकचेन के साथ अच्छी दोस्ती के बावजूद श्वार्ज़नेगर 2007 और 2008 की शुरुआत में तटस्थ बने रहे। गियुलियानी राष्ट्रपति की दौड़ में 30 जनवरी 2008 को बाहर हो गये, जिसका मुख्य कारण फ्लोरिडा में खराब प्रदर्शन था और बाद में मैकचेन का उसी दिन देर रात को समर्थन किया, श्वार्जनेगर उस समय सिमी वैली, कैलिफोर्निया में रोनाल्ड रीगन प्रेसिडेंशियल लाइब्रेरी में एक रिपब्लिकन बहस में दर्शकों के बीच थे। अगले दिन मैकचेन का समर्थन करते हुए उन्होंने मजाक में कहा, "यह रूडी की गलती है!" (दोनों उम्मीदवारों के साथ अपनी दोस्ती के संदर्भ में और वे अपना मन नहीं बना पाये थे) श्वार्ज़नेगर का समर्थन सेनेटर मैकेचेन अभियान के लिए एक बढ़ावा माना गया, दोनों ही पर्यावरण और अर्थव्यवस्था पर अपनी चिंताओं के बारे में बात करते थे।

पर्यावरण रिकॉर्ड
कैलिफोर्निया के गवर्नर
प्रारम्भिक जीवन
मिओलंपिया