Setelah terpilih dalam Pemilu Presiden 2014, Joko Widodo resmi mengundurkan diri sebagai Gubernur DKI Jakarta pada 16 Oktober 2014. Secara otomatis, ia menjadi Pelaksana Tugas Gubernur DKI Jakarta.
Nama Basuki mulai dikenal luas oleh masyarakat setelah dirinya menjabat sebagai Gubernur DKI Jakarta yang dilantik pada 19 November 2014 di Istana Negara berdasarkan hasil rapat paripurna istimewa di Gedung DPRD DKI Jakarta yang dilaksanakan pada 14 November 2014.
Setelah sebelumnya diangkat sebagai Pelaksana Tugas Gubernur sejak 16 Oktober 2014 hingga 19 November 2014 menggantikan Joko Widodo yang menjadi Presiden Indonesia.
Dengan demikian, ia menjadi warga negara Indonesia dari etnis Tionghoa dan pemeluk agama Kristen Protestan pertama yang menjadi Gubernur DKI Jakarta.
Sebelumnya, Gubernur DKI Jakarta pernah dijabat oleh pemeluk agama Katolik, yaitu Henk Ngantung (Gubernur DKI Jakarta periode 1964–1965).
Pada 10 September 2014, Basuki memutuskan keluar dari Partai Gerindra disebabkan karena perbedaan pendapat pada RUU Pilkada.
Partai Gerindra mendukung RUU Pilkada, sedangkan Basuki dan beberapa kepala daerah lain memilih untuk menolak RUU Pilkada karena terkesan "membunuh" sistem demokrasi di Indonesia.
Hal ini membuat dirinya hilang dukungan dari Partai Gerindra. Selanjutnya, ia secara otomatis menjadi politikus Independen.
Bahkan untuk kembali maju dalam Pilgub DKI Jakarta 2017 sempat berencana mencalonkan diri sebagai calon independen, akan tetapi pada akhirnya ia memutuskan maju dengan koalisi partai politik.
Ia mencalonkan diri sebagai calon Gubernur DKI Jakarta dengan didampingi oleh Djarot Saiful Hidayat dari Partai Demokrasi Indonesia Perjuangan (PDI-P).
Tak hanya PDI-P, pasangan calon tersebut diusung pula oleh Partai Golongan Karya (Golkar), Partai Hati Nurani Rakyat (Hanura), dan Partai Nasional Demokrat (NasDem), serta didukung oleh Partai Keadilan dan Persatuan Indonesia (PKPI) dan Partai Solidaritas Indonesia (PSI).
Pada putaran kedua, ia bertambah dukungan setelah Partai Persatuan Pembangunan (PPP) dan Partai Kebangkitan Bangsa (PKB) bergabung dalam koalisi.
Usai melewati pertarungan yang ketat, sayangnya Basuki–Djarot dikalahkan oleh pasangan calon Anies Baswedan–Sandiaga Uno dengan selisih persentase 15.92% suara.
Pasca mengalami kekalahan dalam Pilgub DKI Jakarta 2017, ia justru mengalami nasib yang kurang beruntung.
Seiring dengan pernyataannya terkait kasus penodaan agama yang menuai kontroversial hingga dilakukan Aksi Bela Islam yang dinakhodai oleh Front Pembela Islam pimpinan Muhammad Rizieq Shihab.
