Pada 2020, Eri Cahyadi mengundurkan diri dari jabatannya sebagai Kepala Bappeko Surabaya untuk mengikuti Pilkada Surabaya 2020. Dia resmi mengikuti jejak Tri Rismaharini sebagai pengurus PDIP dan mencalonkan diri sebagai calon wali kota pada Pilkada Kota Surabaya 2020.
Saat itu Eri berpasangan dengan tokoh PDI yang juga mantan Ketua DPRD Surabaya, Armuji. Pada kontestasi itu, Eri-Armuji bersaing dengan mantan Kapolda Jatim Irjen Pol (purn) Machfud Arifin-Mujiaman (mantan Dirut PDAM Surabaya).
Hasilnya, Eri Cahyadi-Armuji memenangkan Pilkada Surabaya 2020. Pasangan Eri Cahyadi-Armuji memperoleh suara terbanyak dengan 597.540 suara (56,94 persen) dan Machfud Arifin-Mujiaman memperoleh 451.794 suara (43,06 persen).
Selanjutnya pasangan Eri-Armuji dilantik sebagai Wali Kota dan Wakil Wali Kota Surabaya untuk periode 2021 hingga 2024. Eri dilantik oleh Gubernur Jawa Timur Khofifah Indar Parawansa pada 26 Februari 2021.
Pengangkatannya sebagai Wali Kota Surabaya didasarkan pada Keputusan Menteri Dalam Negeri No. 2021, 131.35-368 tentang Persetujuan Pengangkatan Wali Kota dan Wakil Wali Kota sebagai Hasil Pemilihan Wali Kota Serentak di Kabupaten dan Kota Tahun 2020 yang ditandatangani Menteri Dalam Negeri Tito Karnavian.