ออล็องด์ได้ประกาศตัวเพื่อเป็นตัวแทนเข้าชิงตำแหน่งประธานาธิบดีจากพรรคสังคมนิยม ในช่วงเดือนมีนาคม ค.ศ. 2011 โดยตอนแรกเขาได้มีคะแนนตามหลังนายดอมีนิก สโทรส-กาน อดีตรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการคลัง และเป็นกรรมการบริหารกองทุนการเงินระหว่างประเทศ แต่ภายหลังออล็องด์ได้รับเลือกมาเป็นอันดับหนึ่ง เนื่องจากข่าวการกล่าวหาการลวนลามทางเพศของนายดอมีนิก สโทรส-กาน จึงทำให้เขาต้องประกาศไม่ลงชิงชัยตำแหน่งโดยปริยาย โดยภายหลังจากการอภิปรายโต้เถียงหลายครั้งผ่านทางรายการโทรทัศน์ ออล็องด์ได้คะแนนนิยมในรอบแรกถึงร้อยละ 39 เป็นอันดับที่ 1 แต่ยังไม่ถึงกึ่งหนึ่ง จึงทำให้เขาต้องเข้าอภิปรายโต้เถียงอีกครั้งกับนางมาร์ทีน โอบรี ผู้สมัครจากพรรคเดียวกันที่ตามมาเป็นอันดับที่สอง โดยได้คะแนนเสียงถึงร้อยละ 30

ในการลงคะแนนออกเสียงครั้งที่สอง เมื่อวันที่ 16 ตุลาคม ค.ศ. 2011 ออล็องด์ก็ได้คะแนนคะแนนเสียงถึงร้อยละ 56 ในขณะที่โอบรีได้ร้อยละ 43 จึงทำให้เขาเป็นตัวแทนของพรรคสังคมนิยม และพรรคฝ่ายซ้ายก้าวหน้า อย่างเป็นทางการสำหรับการเลือกตั้งประธานาธิบดีในปี ค.ศ. 2012 โดยเขายังได้ขอแรงสนับสนุนจากสมาชิกพรรคผู้ร่วมชิงตำแหน่งของพรรคฯ เช่นกัน อาทิเช่น มาร์ทีน โอบรี, อาร์โน มงต์บูร์, มานุแอล วาลส์ และเซกอแลน รัวยาล อดีตผู้เข้าชิงของพรรคฯ ในการเลือกตั้งเมื่อปี ค.ศ. 2007

ในวันที่ 26 มกราคม เขาได้เปิดเผยนโยบายต่าง ๆ รวมถึงกว่า 60 นโยบาย รวมถึงการขึ้นภาษีสำหรับธุรกิจขนาดใหญ่ ธนาคาร และเศรษฐี การสร้างงานอาชีพครูกว่า 60,000 ตำแหน่ง การปรับลดอายุการเกษียณอายุจาก 62 ปีเป็น 60 ปีดังเดิม การสร้างงานทดแทนในเขตที่มีอัตราผู้ว่างงานที่อายุน้อยสูง การสนับสนุนการก่อตั้งธุรกิจขนาดใหญ่โดยการก่อตั้งธนาคารเพื่อการลงทุน การออกกฎหมายเพื่อสิทธิการแต่งงานในเพศเดียวกันและสิทธิในการอุปถัมภ์ทารก รวมทั้งการถอนทหารจากอัฟกานิสถานในปี ค.ศ. 2012

ในวันที่ 15 กุมภาพันธ์ นายนีกอลา ซาร์กอซีประธานาธิบดีในขณะนั้น ได้ประกาศเข้าชิงตำแหน่งประธานาธิบดีในสมัยที่สอง โดยเขาได้วิจารณ์นโยบายของออล็องด์ว่าจะทำลายระบบเศรษฐกิจของประเทศภายในสองวันหากออล็องด์ได้รับเลือกเป็นประธานาธิบดีคนต่อไป

ในช่วงโค้งแรกของการหาเสียง ออล็องด์ได้คะแนนนำจากการหยั่งเสียงต่าง ๆ และในที่สุดในการเลือกตั้งรอบที่ 1 เมื่อ 22 เมษายน ค.ศ. 2012 ออล็องด์ได้คะแนนนำอันดับที่หนึ่ง โดยได้คะแนนเสียงร้อยละ 28.63 โดยเขาต้องเข้าชิงคะแนนในการเลือกตั้งรอบที่สองกับนีกอลา ซาร์กอซี และในการเลือกตั้งรอบที่ 2 ออล็องด์ได้คะแนนนำเกินกึ่งหนึ่งที่ 51.70 เป็นผลให้เขาเป็นว่าที่ประธานาธิบดีแห่งสาธารณรัฐฝรั่งเศสคนถัดไป