Em abril de 2007, Dilma já era apontada como possível candidata à presidência da República.[84] No mês seguinte, Dilma afirmou que era simpática à ideia. Em outubro do mesmo ano, jornais estrangeiros, como o argentino La Nación e o espanhol El País, já indicavam que ela era um nome forte à sucessão de Lula. Lula passou a fazer uma superexposição de Dilma para testar seu potencial como candidata. Em abril de 2008, a The Economist indicava que sua candidatura não parecia ainda viável, pois era pouco conhecida, ainda que fosse a ministra mais poderosa de Lula.

Em dezembro de 2008, o presidente Luiz Inácio Lula da Silva disse que jamais conversara com Dilma Rousseff sobre sua possível candidatura para as eleições presidenciais de 2010, dizendo ter apenas insinuado. Para Lula, Dilma é a "pessoa mais gabaritada" para sucedê-lo. Em outubro de 2009, Dilma e Lula foram acusados pela oposição de estarem fazendo propaganda eleitoral antes do prazo durante visitas feitas pelo Presidente às obras de Transposição do Rio São Francisco. O episódio ganhou mais notoriedade quando o então Presidente do Supremo Tribunal Federal, Gilmar Mendes, comentou o caso.

Sua candidatura foi oficializada em 13 de junho de 2010, em convenção nacional do Partido dos Trabalhadores realizada em Brasília-DF. Foi também referendado o nome do então presidente da Câmara dos Deputados, Michel Temer (PMDB-SP) como seu vice. Participaram da mesa, entre outros, o ex-ministro José Dirceu, o líder do PT na Câmara, Fernando Ferro (PE), e o secretário-geral da legenda, José Eduardo Cardozo.Sua candidatura foi apoiada por figuras famosas como Chico Buarque, Beth Carvalho, Alceu Valença, Elba Ramalho, Emir Sader, Oscar Niemeyer, Leonardo Boff, e Marilena Chauí.