Demokraten Raphael Warnock utropades till segrare av flera större medier redan i morse svensk tid.
Med drygt 98 procent av rösterna räknade har Warnock samlat 50,6 procent mot 49,4 för den sittande republikanske senatorn Kelly Loeffler. Det innebär ett övertag på drygt 53 000 röster.
– Jag är hedrad av det förtroende som ni visar mig, och jag lovar att jag kommer att resa till senaten för att arbeta för alla i Georgia, oavsett vem ni lade er röst på, sade Warnock i ett livesänt tal tidigt på onsdagen.
Den sittande republikanske senatorn Kelly Loeffler har dock ännu inte erkänt sig besegrad.
– Vi kommer att vinna det här valet, sade Loeffler tidigare under morgonen i ett kort uttalande inför anhängare i Atlanta.
I det andra valet, mellan David Perdue och utmanaren Jon Ossoff, är läget jämnare: 49,8 procent mot 50,2 procent, eller 16 370 rösters övervikt för Ossoff.
"Låt oss enas"
Men strax efter 14 svensk tid utropade även Ossoff seger, med omkring 98 procent av rösterna räknade.
– Jag är hedrad av ert stöd, säger Ossoff i ett videouttalande.
Han lovar att i senaten arbeta för kraftfulla åtgärder mot covid-19:s härjningar i USA.
– Låt oss nu enas för att bekämpa detta virus och skyndsamt ta fram ekonomiskt stöd till människor i vår delstat och till det amerikanska folket.
Under natten pendlade samtliga fyra kandidater i de två valen runt 50 procent av rösterna.
När vallokalerna stängde i Georgia och de första siffrorna presenterades tog de båda demokratiska utmanarna Warnock och Ossoff båda en förhållandevis stor ledning över republikanerna Loeffler respektive Perdue.
Men i takt med att fler röster räknades jämnade valen ut sig.
Många förtidsröstade
Inför valdagen hade över tre miljoner människor förtidsröstat, ett rekord i valdeltagande i en andra valomgång i delstaten.
Enligt CNN har flera distrikt rapporterat fler röstande i vallokalerna än på valdagen i november. Lokalerna skulle alla ha stängt klockan 19 i Georgia, 01 svensk tid, men långa köer tvingade ett antal av dem att hålla öppet i en dryg halvtimme extra.
Det jämna läget är helt i enlighet med de flesta opinionsundersökningar i den splittrade delstaten, där Joe Biden vann i presidentvalet i november med knappt 12 000 rösters marginal. Och att tisdagens andra omgång i valen ens hålls beror på att ingen kandidat i november nådde 50 procent.
Vem får styra senaten?
Georgias vallagar säger att en kandidat kan kräva omräkning om det skiljer mindre än 0,5 procent eller om hen misstänker valfusk. En vallokalsundersökning av Edison Research visar att bara två av tio republikaner anser att presidentvalet gick rätt till, och två demokratiska segrar lär tvinga fram omräkningar.
Valet gäller två platser i USA:s senat. Om Demokraterna vinner båda platserna, som i dag innehas av Republikanerna, får båda partierna 50 senatorer i kammaren.
Men Demokraterna får då genom vicepresident Kamala Harris utslagsröst och kontroll över senaten. Partiet får därmed utse majoritetsledaren i kammaren, vilket lär underlätta betydligt för den tillträdande presidenten Joe Biden att kunna driva igenom sin politik de närmaste två åren.