Fue reelecto tres veces seguidas, hasta que fue electo al Senado en 1976, sucediendo al demócrata Mike Mansfield, quien se retiró.
Fue reelecto en 1982, venciendo al republicano Larry R. Williams.
La campaña de Williams retrató a Melcher como alguien «demasiado liberal para Montana», este último respondió con comerciales acusando al republicano de ser financiado por dinero de forasteros.
No pudo lograr un tercer periodo debido a que fue derrotado por Conrad Burns en 1988.
Visto como un demócrata moderado, Melcher se opuso al derecho al aborto y a la prohibición de la oración en escuelas públicas, pero apoyó la conservación ambiental.