Il s'engagea dans la voie d'une alliance au sommet avec la SFIO, puis d'un « Front populaire » dont il lança la formule en octobre 1934, ce qui contribua à transformer la physionomie du parti et à asseoir son autorité interne de dirigeant. Député en 1932 et réélu en 1936, à la tête d’un parti de masse bien enraciné dans le monde ouvrier, jusqu’en 1939, il défendit une politique qui associait antifascisme, défense patriotique mais aussi apologie de l’URSS. Surpris par l’annonce du pacte germano-soviétique, avec l’accord de l’Internationale communiste, il défendit malgré tout le pacte tout en affirmant la continuité de la ligne antifasciste de son parti qu’il engagea à voter les crédits de guerre.
Mobilisé le 3 septembre 1939, le 4 octobre, sur l'injonction de l'Internationale, il quitta son régiment et gagna l'URSS. Il fut alors condamné pour désertion le 25 novembre et, en février 1940, déchu de la nationalité française.
A l’issue de tractations avec Staline, il fut amnistié en octobre 1944 par le Gouvernement provisoire. Il revint en France en novembre, reprit ses fonctions de secrétaire général puis fut élu député en 1945.
Entré au gouvernement du général de Gaulle (novembre 1945-janvier 1946), comme ministre d'État chargé de la Fonction publique, il prit une part importante à l'élaboration du statut de la fonction publique en instaurant le statut des fonctionnaires. Il fut ensuite vice-président du Conseil dans les gouvernements de Félix Gouin, Georges Bidault et Paul Ramadier, jusqu'à l'expulsion des ministres communistes en mai 1947.
Frappé d'une congestion cérébrale en octobre 1950, il alla se faire soigner en URSS où il demeura jusqu'en avril 1953. A son retour, bien que physiquement diminué par une hémiplégie, il reprit la direction effective du PCF avant d’abandonner son poste dde secrétaire général et devenir président du parti (1964).
Dans le domaine doctrinal, il resta le tenant d’une conception marxiste figée allant jusqu’à théoriser la paupérisation absolue du monde ouvrier en France. Il interpréta le retour de De Gaulle au pouvoir en 1958 comme celui du fascisme.
L’ampleur de ses funérailles, le 16 juillet, témoigna de l’influence d’un dirigeant ayant réussi à fusionner son existence avec celle de son parti.
Une foule immense accompagna sa dépouille du siège du parti communiste français de l’époque (carrefour Châteaudun) au cimetière du Père-Lachaise où il fut inhumé.
En 1965, un Institut créé par le PCF fut chargé de célébrer sa mémoire et de prolonger son œuvre théorique afin de montrer que la nouvelle direction du parti restait fidèle à celui dont l’image était associée aux succès du PCF.
A l’époque soviétique la ville de Tchystiakove fut rebaptisée Torez en son honneur. Dorénavant en Ukraine, en 2016, le parlement ukrainien vota une loi dite de « décommunistation» imposant de reprendre l'ancien nom de la ville. Mais, Thorez étant une ville séparatiste depuis 2014, cette loi est restée sans effet.