Enligt en vallokalsundersökning slog socialdemokratiska SPD förbundskansler Merkels kristdemokratiska CDU i valet. Enligt undersökningen får SPD 37,3 procent mot CDU:s 33,4 procent.
Om det håller i sig ökar SPD från 32,6 procent för fyra år sedan medan CDU backar från 36 procent i valet 2013.
Betydelsen av tyska delstatsval för rikspolitiken är omdiskuterad, men åtminstone i de större förbundsländerna kan utgången ge en vink om vart vindarna blåser.
Jämnt mellan de stora
I den fjärde mest folkrika delstaten Niedersachsen var drygt sex miljoner människor röstberättigade, och såväl förbundskanslern och CDU-ledaren Angela Merkel som hennes socialdemokratiske rival Martin Schulz hade all anledning att rikta blickarna mot Hannover på söndagen. Skulle Socialdemokraterna lyckas försvara sitt styre? Eller skulle det bli ett kristdemokratiskt maktövertagande, som på flera andra håll i Tyskland under året?
De senaste opinionsundersökningarna har tytt på en svag ledning för Socialdemokraterna med Stephan Weil i spetsen. Han leder en rödgrön koalitionsregering som kollapsade i somras sedan en av De grönas ledamöter lämnat sitt parti och gått med i CDU. Weil utmanas av kristdemokraten Bernd Althusmann, som har Merkels ögon på sig.
- En seger i Niedersachsen är viktig för Merkel, eftersom det skulle stärka henne och visa att hennes parti fortfarande kan vinna delstatsval, säger Oskar Niedermayer på Freie Universität i Berlin till nyhetsbyrån AFP.
Mycket på spel
Minst lika mycket stod på spel för SPD, som gjorde sitt sämsta förbundsdagsval under efterkrigstiden.
Högerpopulistiska AFD ser nu i Niedersachsen ut att klara femprocentspärren och får 5,5 procent, medan de gröna får 8,9 procent enligt vallokalsundersökningen. Liberala FDP landar på 7,4 procent.
På onsdag sätter sig CDU ned med De gröna och FDP för en första samtalsrunda inför de långa nationella koalitionsförhandlingar som nu tar vid. Valresultatet i Niedersachsen kan i viss mån påverka om det är en stursk eller stukad Merkel som tar plats vid runda bordet.
Peter Tauber, CDU:s generalsekreterare, konstaterar att alla tre partier i samtalen tappar tappade mark i Niedersachsen men anser inte att det får påverka koalitionsbildningen nationellt.
- Det skulle inte vara klokt att låta det tynga oss, säger han.
Fakta: Valet i Niedersachsen
6,1 miljoner människor är röstberättigade i nyvalet till lantdagen i Niedersachsen, förbundslandets delstatsparlament.
Valet är det första sedan förbundsdagsvalet 24 september, då både Angela Merkels kristdemokrater (CDU) och Martin Schulz socialdemokrater (SPD) gjorde katastrofval.
Minst 135 mandat ska tillsättas, men på grund av Tysklands komplexa valsystem kan det slutliga antalet bli större. För närvarande har parlamentet 137 ledamöter.
Niedersachsen har historiskt varit ett starkt fäste för Socialdemokraterna, som också styrt den senaste mandatperioden i koalition med De gröna. Delstatsregeringen leds av Stephan Weil, tidigare borgmästare i Hannover.