Il est de nouveau candidat à l'élection gouvernorale du , qu'il largement remporte cette fois-ci contre le démocrate Walter H. Dalton(en), lieutenant-gouverneur sortant, avec 54,6% des voix contre 43,2%[2]. Pat McCrory entre en fonction le et devient le premier gouverneur républicain de son État depuis 1993. Il doit alors faire face au mouvement de protestation des Moral Mondays.
En 2016, il signe une loi rendant obligatoire l'usage des toilettes dans les bâtiments fédéraux selon son sexe de naissance, allant à l'encontre des revendications de militants transgenres. Cela suscite une polémique nationale, cinq procès sont intentés, la NBA et la NCAA boycottent l'État, tandis qu'un concert de Bruce Springsteen est annulé et que certaines entreprises renoncent à s'implanter en Caroline du Nord. Le manque à gagner à la suite de cette affaire est estimé à 200 millions de dollars pour l'État[3].
Lors de l'élection gouvernorale du , il est candidat à un second mandat. Le résultat des élections, très serré, fait l'objet d'un long débat et de recomptes de voix, jusqu'à ce qu'il concède sa défaite le , face au démocrate Roy Cooper, alors procureur général d'État, avec 48,8% des voix contre 49%. Pour la presse, les deux principales raisons de son échec sont la loi HB2, qui interdit notamment les ordonnances locales protégeant les personnes LGBT de discriminations, ainsi que le projet de péage sur l'Interstate 77[4].
Candidature au Sénat des États-Unis
En vue de l'élection au Sénat des États-Unis du , Pat McCrory se présente à la primaire républicaine afin de succéder à Richard Burr, qui ne se représente pas à un quatrième mandat. Il est cependant largement battu, avec 24,6% des voix, par le représentant fédéral Ted Budd, soutenu par l'ancien président Donald Trump, avec 58,6% des voix. Il se place cependant devant l'ancien représentant fédéral Mark Walker, à 9,2% des voix[5],[6].