Valget har mest af alt symbolsk betydning, da de delegerede i Missouri først bliver valgt ved et nomineringsvalg i marts.
Med sejren vil Santorum få en ny chance i opgøret med Mitt Romney i kampen om at blive republikanernes endelige præsidentkandidat.
Sejren ventes at udløse massiv økonomisk støtte til Santorum og dermed give ham muligheder for at holde sin kampagne i live.
Rick Santorum får 55 procent af stemmerne, mens Mitt Romney, der fører sammenlagt, må nøjes med 25 procent i Missouri.
Ron Paul ender på en tredjeplads med 12 procent, mens Newt Gingrich ikke var på valgsedlen i Missouri.
Der afholdes også nomineringsvalg i Colorado og Minnesota, og også her står 53-årige Rick Santorum efter foreløbige optællinger til at vinde stort.
Med 26 procent af stemmerne talt op i Minnesota står Santorum til at vinde med 45 procent, mens Ron Paul tager andenpladsen med 27 procent. Mitt Romney får 17 procent, mens Newt Gingrich får 12 procent.
Mitt Romney er stadig favorit til at blive republikanernes endelige kandidat, men resultatet i Missouri kan give hans modstandere håb om, at det kan lade sig gøre at slå ham.
Den såkaldte supertirsdag - 6. marts - ventes at afgøre, hvem der bliver republikanernes kandidat. På supertirsdagen er der valg i staterne Alaska, Georgia, Idaho, Massachusetts, North Carolina, Ohio, Oklahoma, Tennessee, Vermont, Virginia og Wyoming.
Rick Santorum, der er tidligere senator i staten Pennsylvania, vandt snævert nomineringsvalget i Iowa i januar, men har indtil nu forgæves forsøgt at vinde anerkendelse som reelt alternativ til den mere moderate Mitt Romney.
/ritzau/
Seneste artikler
Motorcyklist påkørte dødt dådyr
Trippel sportsfest: Her er søndagens kampe
Nye krimier afslører landsdelens mørke hemmeligheder
Direktør langer ud efter havbrugskritikere: – De er direkte onde
Vil du have indflydelse på de nye skoledistrikter? Her er fristen
Mest læste artikler
Tom bil på Farøbroen: Eftersøgning fortsætter mandag
Fundet livløs i rabatten: Cyklist fløjet til Rigshospitalet
Stjal 450.000 fra gymnastikfolk og tipsklub
Truede med at skyde bekendt: Fandt våben hos kvinde
Bostedet Langholt lukker