Renzi, 42, avgick som premiärminister i december i fjol sedan italienarna röstat nej till en grundlagsändring om landets parlamentariska system.
Enligt preliminära resultat fick Renzi över 70 procent av rösterna i gårdagens val. Omkring två miljoner partimedlemmar röstade i ordförandevalet.
"Ett enormt ansvar. Tack från djupet av mitt hjärta till de kvinnor och män som tror på Italien. Framåt, tillsammans",
twittrade Renzi.
– Det här är inte den andra perioden av samma match, det är en ny match. Det här är början av en helt ny historia, sade Renzi i sitt segertal.
Renzi hade två motkandidater i partiledarvalet, justitieminister Andrea Orlando och Michele Emiliano, som styr den sydliga regionen Puglia. Bägge står till vänster om honom.
Renzi ska nu förbereda sitt parti för parlamentsvalet i maj om ett år.
Utrikes
1.5.2017
Renzi tillbaka i politiken
Italiens förre premiärminister Matteo Renzi blir på nytt ledare för regerande Demokratiska partiet. Han valdes till partiets ordförande i går.