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.