A második világháború után hazatérve földművelésügyi miniszterként vezetője volt az 1945-ben végrehajtott földreformnak, majd belügyminiszter, később pedig az Országgyűlés elnöke is volt. Szovjet nyomásra 1953-ban választották miniszterelnökké Rákosi Mátyás helyére, és meghirdette a szocializmus építésének új szakaszát. 1955-ben leváltották, de a kommunista pártban addig példátlan módon nem volt hajlandó önkritikát gyakorolni.
Másodszor 1956. október 24-én hajnalban választották meg kormányfőnek. Nagy Imre igyekezett a felkelők célkitűzéseit elfogadtatni a pártvezetéssel, de mérsékelni is igyekezett az általa túlzónak tartott követeléseket. Fellépett a szovjet csapatok távozásáért, hirdette a többpártrendszer bevezetését, majd november 1-jén Magyarország kilépését a Varsói Szerződésből és az ország semlegességét. November 4-én hajnalban drámai rádióbeszédben jelentette be a szovjet inváziót, majd a nap folyamán több társával együtt a jugoszláv követségen kért menedékjogot. November 22-én Kádár János, a Forradalmi Munkás-Paraszt Kormány elnökének menlevelével elhagyták a követséget, de ezután elfogták őket, majd Romániában, Snagovon házi őrizetbe kerültek.
1957 áprilisában vitték Budapestre, ahol a tisztségéről lemondani nem hajlandó, az egyezkedést elutasító Nagy Imrét 1958. február 6-án a nyilvánosság teljes kizárásával bíróság elé állították. A vádlottak – Nagy Imre, Donáth Ferenc, Gimes Miklós, Tildy Zoltán, Maléter Pál, Kopácsi Sándor, Király Béla, Szilágyi József, Jánosi Ferenc, Vásárhelyi Miklós – ellen a népi demokratikus államrend megdöntésére irányuló szervezkedés kezdeményezése és vezetése, hazaárulás, a szocialista államrenddel szembeni fellépés, ellenséges politikai csoportosulás miatt emeltek vádat. A zárt tárgyalás ellen Nagy Imre tiltakozott, de ezt Vida Ferenc bíró elutasította. Losonczy Géza, Nagy Imre államminisztere a börtönben éhségsztrájkba kezdett, és 1957. december 21-én máig tisztázatlan körülmények között meghalt. A minden együttműködést megtagadó, nyílt tárgyalást követelő Szilágyi József, Nagy Imre titkárságvezetője ügyét elkülönítették, és őt már 1958. április 22-én halálra ítélték, két nappal később pedig kivégezték. A többi vádlott pere június 9-én folytatódott. Június 15-én a Legfelsőbb Bíróság Vida Ferenc által vezetett Népbírósági Tanácsa Nagy Imrét, Gimes Miklós újságírót és Maléter Pál honvédelmi minisztert halálra ítélte. Kopácsi Sándort, a Nemzetőrség helyettes parancsnokát életfogytiglani börtönre, Donáth Ferencet, az MSZMP Ideiglenes Intéző Bizottságának volt tagját 12 év börtönre, Jánosi Ferencet, Nagy Imre vejét nyolc év, Tildy Zoltán volt köztársasági elnököt, a Nagy Imre-kormány államminiszterét hat év, Vásárhelyi Miklóst, a kormány sajtófőnökét öt év börtönre ítélték. A halálos ítéletet másnap hajnalban a Gyűjtőfogház udvarán hajtották végre. Nagy Imre, Maléter Pál és Gimes Miklós holttestét előbb a börtön udvarán földelték el, majd 1961-ben az Új köztemető 301-es parcellájának egyik jeltelen sírjába temették úgy, hogy a nyilvántartásba hamis neveket jegyeztek be.