Niespodziewana odpowiedzialność
Feinstein następnie postanowił ogłosić, że jej kariera polityczna jest skończona. Jednak na pół godziny przed konferencją prasową 27 listopada 1978 roku, na której planowała upublicznić swoją decyzję, były radny, Dan White, śmiertelnie postrzelił burmistrza George’a Moscone’a (1929-1978) i radnego Harveya Milka (1930-1978). Morderstwa te zmusiły Feinstein do objęcia funkcji pełniącej obowiązki burmistrza. Miesiąc później została wybrana, by dokończyć kadencję Moscone’a. Jako burmistrz, Feinstein starała się uspokoić niepokoje polityczne i przemoc, zrównoważyć żądania różnych grup i pomóc miastu odzyskać siły po tragicznych wydarzeniach, które sprawiły, że objęła urząd. Feinstein została wybrana na pełną czteroletnią kadencję jako burmistrz, która rozpoczęła się w 1979 roku. W pierwszych latach swojej pracy starała się zadowolić wszystkie grupy społeczne w San Francisco. Interesowała się personelem i polityką policji i udało jej się obniżyć wskaźniki przestępczości. Największym wyzwaniem, przed którym stanęła, był problem fiskalny (związany z pieniędzmi) – problem zrównoważenia budżetu w obliczu cięć w wydatkach stanowych i federalnych dla miast. Wykorzystując wiedzę wysoko postawionych liderów biznesu i pracy z Komitetu Doradczego ds. Fiskalnych, zapanowała nad budżetem miasta, wprowadziła ulepszoną politykę zarządzania oraz promowała rozwój i rozbudowę śródmieścia. Feinstein była barwnym i energicznym burmistrzem. Pewnego razu pojawiła się na ceremonii przecięcia wstęgi na budowie ubrana w staromodny, czarny, wełniany kostium kąpielowy do kolan – który założyła po przegranym zakładzie z wykonawcą. Podczas kolacji, na której była gościem honorowym, zastosowała manewr Heimlicha, by uchronić gościa przed zadławieniem się kawałkiem mięsa.
Chociaż jej kariera jako burmistrza była naznaczona wieloma sukcesami, Feinstein od czasu do czasu się potykała. Kiedy przeforsowała ustawę zakazującą posiadania broni ręcznej, niektórzy wyborcy próbowali ją odwołać (proces, w którym ludzie głosują, aby usunąć wybranego urzędnika z urzędu). Wielu członków społeczności było również rozgniewanych jej wetem (odrzuceniem) ustawy, która rozszerzyłaby świadczenia medyczne i socjalne na partnerów w związkach tej samej płci oraz na osoby towarzyszące w życiu niezamężnym pracownikom miejskim. Mimo że ruch odwoławczy zebrał wiele podpisów, burmistrz Feinstein przetrwała wyzwanie, otrzymując 83-procentowy głos poparcia w kwietniu 1983 roku. W wyborach w listopadzie 1983 r. wygrała swoją drugą i ostatnią pełną kadencję (zgodnie z przepisami miejskimi burmistrzowie mogą pełnić swoje funkcje tylko przez dwie kadencje). W 1984 roku San Francisco było gospodarzem Narodowej Konwencji Demokratów, na którą wielu zwolenników burmistrza liczyło, że doprowadzi do jej nominacji na wiceprezydenta, ale nie została wybrana.