Осенью 1929 года переехал в Германию. Проживал в Берлине инкогнито. Активно участвовал в деятельности Коминтерна, вёл коммунистическую пропаганду.
Был арестован нацистами по обвинению в причастности к поджогу Рейхстага 27 февраля 1933 года, однако на Лейпцигском процессе (сентябрь-декабрь 1933) был оправдан, так как имел алиби. Димитров хорошо владел немецким языком и его выступления на процессе были широко использованы в антифашистской пропаганде, а самому Димитрову было предоставлено советское гражданство, и СССР потребовал его выдачи. В 1935 году был избран генеральным секретарём Исполкома Коминтерна. После установления в Болгарии советского режима Димитров в ноябре 1945 года прибыл на родину. С 6 ноября 1946 года - председатель Совета министров. С декабря 1947 года и до смерти - генеральный секретарь ЦК БКП. Димитров активно поддерживал идею создания болгаро-югославской федерации, что после разрыва И.В. Сталина с И. Броз Тито вызвало большое недовольство советского руководства. После осуждения ЦК ВКП(б) позиции Тито, Димитров, тем не менее, выступил в поддержку югославского лидера. 2 июля 1949 года Георгий Димитров умер в Барвихе под Москвой, где он проходил лечение в течение четырех месяцев. Тело Димитрова было доставлено в Софию уже вскрытым и забальзамированным. В связи с этим возникли версии о возможном медицинском убийстве. Тело Димитрова было помещено в специально выстроенный мавзолей в Софии. В 1992 г. вынесено из мавзолея и захоронено.