Ia kemudian maju kembali pada Pilgub DKI sebagai cagub, berpasangan dengan Djarot Saiful Hidayat yang menjadi wakilnya sejak ia naik sebagai Gubernur DKI.
Namun, jelang Pilgub DKI 2017, Ahok tersandung kasus penistaan agama berdasarkan pidatonya saat kunjungan kerja di Kepulauan Seribu.
Bahkan, akibat kasus Ahok ini, muncul gelombang unjuk rasa ramai di berbagai penjuru negeri.
Akhirnya Ahok divonis bersalah dan dipenjara. Ia pun mengundurkan diri, dan digantikan oleh Djarot di akhir masa jabatan Gubernur DKI.
Ahok-Djarot pun akhirnya dikalahkan oleh Anies Baswedan-Sandiaga Uno dalam Pilkada DKI. Ia dipenjara selama hampir 1 tahun 9 bulan dan bebas pada 24 Januari 2019.
Tak berselang lama, Ahok pun memilih bergabung dengan PDI-P yang menjadi pendukung utamanya saat menjadi Gubernur DKI dan saat Pilgub 2017.
Hingga kemudian, Ahok ditunjuk sebagai Komisaris Pertamina pada November 2019.
