Em 2014, foi eleito governador do Maranhão, com 63,52% dos votos válidos, sendo o primeiro governador eleito que não foi apoiado pelo partido do governo e a segunda vez que um candidato do grupo político liderado por José Sarney não é eleito. A primeira vez foi em 2006, quando Jackson Lago venceu Roseana Sarney. Lago foi cassado em 2009. Flávio Dino também foi o primeiro filiado do PCdoB a governar um estado da federação desde a cisão com o PCB em 1962. Assumiu o mandato em 1º de janeiro de 2015.