Pour ses compétences techniques, l'amiral Darlan le choisit comme secrétaire d'Etat à la Production industrielle dans le gouvernement de Vichy (février 1941). Secrétaire d'Etat à l'Intérieur en juillet, puis ministre de l'Intérieur le 11 août, il se montra redoutable dans le combat qu’il conduisit contre les adversaires du régime : il créa les Sections spéciales, pour juger en urgence les « terroristes », ainsi que les Groupes Mobiles de Réserve (GMR), ancêtres des CRS actuels. Il fut également largement impliqué dans l’affaire des otages exécutés de Chateaubriant (Loire-Atlantique) après l’exécution d’un officier supérieur de la kommandantur de Nantes. Il alla jusqu'à proposer que l'armée française stationnée en Tunisie combatte aux côtés de Rommel...
Après avoir assumé fonctions avec énergie, il s’en démit en avril 1942 lorsque Laval revint au pouvoir. Puis, sentant le vent tourner, après le débarquement allié en Afrique du Nord du 8 novembre 1942, il passa en Espagne et débarqua en confiance à Casablanca le 6 mai 1943 où il fut aussitôt placé en résidence surveillée. Mauvais timing. Les rapports de force avaient changé et le CFLN (Comité français de Libération nationale ) décidant de procéder à l'épuration des collaborateurs, fit traduire Pucheu devant un tribunal militaire sans que Giraud, qui en faisait partie et l'avait fait venir en Afrique du Nord, ne protestât.
Transféré à Alger, son procès s'ouvrit le 4 mars 1944. Seuls furent retenus contre lui l’intelligence avec l’ennemi et la mise à la disposition de la police à l’ennemi. L’affaire des otages de Chateaubriant ne fut pas retenue dans l’instruction.Invoquant la raison d’Etat, De Gaulle refusa la grâce.Condamné à mort, Pierre Pucheu fut passé par les armes à l’hippodrome du Caroubier à Hussein-Dey, près d’Alger. Il était le premier épuré de la Libération et son premier condamné à mort. Avant lui, seul le maréchal Ney avait été autorisé à commander le « Feu » à son peloton d’exécution. Inhumé à Alger, les cendres de Pierre Pucheu furent transférées au cimetière parisien de Thiais le 22 mars 1961.