Com 78 senadores presentes, 55 votaram favoravelmente à continuidade do processo de impedimento, enquanto 22 votaram não. Apenas o presidente da Casa, senador Renan Calheiros (PMDB-AL), optou por não votar.
Antes da votação, realizada por meio de painel eletrônico, os senadores que se inscreveram tiveram a oportunidade de defender seus votos por até 15 minutos cada. Por isso, a sessão que teve início às 10h de quarta-feira, só se encerrou às 6h40 desta quinta (12), após o pronunciamento do Advogado Geral da União, José Eduardo Cardozo e da votação.
Diferentemente da Câmara, no plenário do Senado não houve orientação das lideranças anteriormente à votação.
Confira, abaixo, como votou cada senador:
| Senador(a) | Partido | UF | Como votou | |
| Acir Gurgacz | PDT | RO | Sim | |
| Aécio Neves | PSDB | MG | Sim | |
|
Aloysio Nunes Ferreira
|
PSDB | SP | Sim | |
| Alvaro Dias | PV | PR | Sim | |
| Ana Amélia | PP | RS | Sim | |
| Angela Portela | PT | RR | Não | |
| Antonio Anastasia | PSDB | MG | Sim | |
|
Antônio Carlos Valadares
|
PSB | SE | Sim | |
| Armando Monteiro | PTB | PE | Não | |
| Ataídes Oliveira | PSDB | TO | Sim | |
| Benedito de Lira | PP | AL | Sim | |
| Blairo Maggi | PR | MT | Sim | |
| Cássio Cunha Lima | PSDB | PB | Sim | |
| Ciro Nogueira | PP | PI | Sim | |
| Cristovam Buarque | PPS | DF | Sim | |
| Dalírio Beber | PSDB | SC | Sim | |
| Dário Berger | PMDB | SC | Sim | |
| Davi Alcolumbre | DEM | AP | Sim | |
| Donizeti Nogueira | PT | TO | Não | |
| Edison Lobão | PMDB | MA | Sim | |
| Eduardo Amorim | PSC | SE | Sim | |
| Eduardo Braga | PMDB | AM | ausente | |
| Elmano Férrer | PTB | PI | Não | |
| Eunício Oliveira | PMDB | CE | Sim | |
| Fátima Bezerra | PT | RN | Não | |
|
Fernando Bezerra Coelho
|
PSB | PE | Sim | |
| Fernando Collor | PTC | AL | Sim | |
| Flexa Ribeiro | PSDB | PA | Sim | |
| Garibaldi Alves Filho | PMDB | RN | Sim | |
| Gladson Cameli | PP | AC | Sim | |
| Gleisi Hoffmann | PT | PR | Não | |
| Helio Jose | PMDB | DF | Sim | |
| Humberto Costa | PT | PE | Não | |
| Ivo Cassol | PP | RO | Sim | |
| Jader Barbalho | PMDB | PA | ausente | |
| João Alberto Souza | PMDB | MA | Não | |
| João Capiberibe | PSB | AP | Não | |
| Jorge Viana | PT | AC | Não | |
| José Agripino | DEM | RN | Sim | |
| José Maranhão | PMDB | PB | Sim | |
| Jose Medeiros | PSD | MT | Sim | |
| José Pimentel | PT | CE | Não | |
| José Serra | PSDB | SP | Sim | |
| Lasier Martins | PDT | RS | Sim | |
| Lídice da Mata | PSB | BA | Não | |
| Lindbergh Farias | PT | RJ | Não | |
| Lúcia Vânia | PSB | GO | Sim | |
| Magno Malta | PR | ES | Sim | |
| Marcelo Crivella | PRB | RJ | Sim | |
|
Maria do Carmo Alves
|
DEM | SE | Sim | |
| Marta Suplicy | PMDB | SP | Sim | |
| Omar Aziz | PSD | AM | Sim | |
| Otto Alencar | PSD | BA | Não | |
| Paulo Bauer | PSDB | SC | Sim | |
| Paulo Paim | PT | RS | Não | |
| Paulo Rocha | PT | PA | Não | |
|
Pedro Chaves
(suplente de Delcídio Amaral cassado pelo Senado) |
PSC | MS | não assumiu | |
| Raimundo Lira | PMDB | PB | Sim | |
| Randolfe Rodrigues | REDE | AP | Não | |
| Regina Sousa | PT | PI | Não | |
| Reguffe |
sem partido
|
DF | Sim | |
| Renan Calheiros | PMDB | AL | abstenção | |
| Ricardo Ferraço | PSDB | ES | Sim | |
| Roberto Requião | PMDB | PR | Não | |
| Roberto Rocha | PSB | MA | Sim | |
| Romario | PSB | RJ | Sim | |
| Romero Jucá | PMDB | RR | Sim | |
| Ronaldo Caiado | DEM | GO | Sim | |
| Rose de Freitas | PMDB | ES | Sim | |
| Sérgio Petecão | PSD | AC | Sim | |
| Simone Tebet | PMDB | MS | Sim | |
| Tasso Jereissati | PSDB | CE | Sim | |
| Telmário Mota | PDT | RR | Não | |
| Valdir Raupp | PMDB | RO | Sim | |
| Vanessa Grazziotin | PC do B | AM | Não | |
| Vicentinho Alves | PR | TO | Sim | |
| Waldemir Moka | PMDB | MS | Sim | |
| Walter Pinheiro |
sem partido
|
BA | Não | |
|
Wellington Fagundes
|
PR | MT | Sim | |
| Wilder Morais | PP | GO | Sim | |
| Zezé Perrella | PTB | MG | Sim |
