本次共有9名候選人參加自民黨總裁選舉，在第一輪投票中，前首相麻生派支持、有許多黨員力挺的高市早苗，國會議員票部分拿下72票、黨員票拿下109票，以總票數181票，在9人中高居首位。石破茂則以46張議員票、108張黨員票，總票數154票，位居第2；先前同樣呼聲很高的前環境大臣小泉進次郎，在議員票中拿下75票、是9人中最高，但黨員票只有61票，讓他名列第3，無緣次輪選舉。
根據規定，首輪若沒有候選人拿下總票數736票過半之選票，將由前兩名候選人進入第二輪投票；第二輪的總票數則為368張國會議員票、再加上47張都道府縣黨部選票，票多者當選。
第二輪選舉結果出現逆轉，原本在議員票大幅落後的石破茂，一共拿到189票，贏過高市的173票，在都道府縣選票，石破也以26票多於高市的21票，最終以215票擊敗高市的194票，當選新任自民黨總裁，並將在10月1日於臨時國會被選為新任日本首相。
逆轉的選舉結果讓不少議員相當意外，《富士新聞網》報導，在結果出爐時會場發出一陣驚呼，還有議員甚至不禁落淚。高市在第一輪大幅勝出，被認為第二輪也較有優勢，然而第二輪其他議員的選票重新分配，原先支持其他人的票可能都跑去石破的手上，導致結果翻盤。
該報導引述資深議員的分析，認為這是考慮到日本與中國和美國的外交關係，這是一個好的結果，但高市陣營的人則難以接受，因為這個結果等於推翻了黨員投票的結果。據悉，高市在全國黨員投票中，拿到20萬2,802票，得票率29.6%，比石破的20萬2,558票，得票率29.3%略勝0.3個百分點，但次輪的都道縣府開票，石破卻以26票擊敗高市的21票，讓高市陣營相當意外，YouTube直播影片聊天室更有人直批選舉結果「無視民意」。
不過高市早苗本人在落選後則展現風度，除了祝福石破茂當選新任總裁，也表示這次的敗選是因為自己能力不足，「我獲得了很多人的幫助，我感到非常抱歉」，被問到如果石破茂任命她為內閣大臣是否會接受，高市則說無法回答假設性的問題，現在最重要的是一起協助重建自民黨；第一輪投票排名第3的小泉進次郎也說，石破茂是在議員和黨員支持下當選的，「我會竭盡所能支持他」，同時對於他在第一輪投票中拿下最多議員選票表示印象深刻，他也充滿感激。
