Raphael Warnock y Jon Ossoff derrotaron a los actuales senadores republicanos Kelly Loeffler y David Perdue respectivamente.
Los demócratas controlarán el Senado, la Cámara de Representantes y la Casa Blanca por primera vez desde el 2009.
Se estima que cuatro millones de residentes de Georgia acudieron a votar en la segunda vuelta.
El resultado es un duro golpe para el presidente republicano saliente, Donald Trump.
Las elecciones de Georgia se volvieron a ejecutar porque ninguno de los candidatos en las elecciones generales de noviembre logró el 50% necesario para la victoria según las reglas estatales.
Warnock, un pastor bautista, se convierte en el primer senador afroamericano de Georgia, un estado esclavista en la Guerra Civil de Estados Unidos, y solo en el undécimo miembro afroamericano del Senado en la historia de Estados Unidos.
Warnock rindió homenaje a su madre, Verlene, quien cuando era adolescente trabajaba como jornalera.
"El otro día, porque esto es Estados Unidos, las manos de 82 años que solían recoger el algodón de otra persona fueron a las urnas y eligieron a su hijo menor para que fuera senador de Estados Unidos", dijo.
¿Qué significa esto?
Con el resultado en Georgia, los demócratas y los republicanos ahora tendrán 50 escaños cada uno en el Senado, la cámara alta del Congreso.
Sin embargo, la vicepresidenta demócrata entrante, Kamala Harris, presidirá el Senado una vez que asuma el cargo y tendrá el voto de desempate.
Esto le da a la administración de Biden una mayor oportunidad de lograr su agenda en temas como la atención médica y el cambio climático.
El Senado también tiene el poder de aprobar o rechazar a los nominados de Biden para puestos de gabinete y judiciales.
Parece que las preocupaciones de los republicanos sobre las dos elecciones de segunda vuelta en Georgia estaban bien fundadas. Sus votantes no se presentaron en las urnas en el tipo de números que esperaban. Mientras tanto, los demócratas resultaron en niveles más altos. En condado tras condado, tanto Jon Ossoff como Raphael Warnock superaron sus cifras de elecciones generales.
En ocasiones, los dos demócratas participaron en equipo y parecían complementar las coaliciones electorales de cada uno. Warnock animó a los votantes negros en todo el estado. Ossoff atrajo a votantes suburbanos y educados de Atlanta.
Donald Trump está destinado a recibir una considerable culpa por la derrota republicana. El partido que pierde la Casa Blanca suele tener mejores resultados en las elecciones legislativas posteriores, no peor. Y Georgia, a pesar de la victoria de Joe Biden allí, sigue siendo un estado tradicionalmente conservador.
En cambio, las dos carreras se mantuvieron reñidas, ya que Trump pasó la mayor parte de su tiempo y energía disputando su derrota electoral y lanzando ataques contra los líderes republicanos de Georgia.
Resulta que puede que no haya sido una estrategia electoral inteligente, y le costará a los republicanos el control del Senado.
¿Qué tan cerca estuvieron los votos?
Ambas carreras fueron muy reñidas. Warnock derrotó a la senadora Kelly Loeffler por un proyectado 50.7 % a 49.3 %, indican cifras de Associated Press.
Loeffler, quien fue nombrada al Senado el año pasado para llenar una vacante, es leal a Trump.
El otro concurso estaba aún más cerca. Jon Ossoff superó al senador David Perdue, de 70 años, con un 50.3% a un 49.7%.
Los resultados finales se esperan más tarde.
El presidente Trump continuó haciendo afirmaciones infundadas de fraude electoral, dudando de la integridad del voto de Georgia.
El domingo, surgió una grabación de Trump presionando al principal funcionario electoral de Georgia, Brad Raffensperger, un colega republicano, para "encontrar" suficientes votos para anular la victoria de Biden en el estado.