Năm 1949, với sự thành lập nhà nước Cộng hoà Nhân dân Trung Hoa, Chu Ân Lai lên nắm quyền Thủ tướng và Bộ trưởng ngoại giao. Tháng 6 năm 1953, ông đưa ra năm tuyên bố hoà bình. Ông dẫn đầu phái đoàn Cộng sản Trung Quốc tham gia Hội nghị Geneva và Hội nghị Bandung (1955). Ông đã thoát nạn sau một âm mưu ám sát của phe Quốc Dân Đảng dưới quyền Tưởng Giới Thạch trên đường trở về từ Bandung. Một quả mìn MK7 đã được giấu trên chiếc máy bay thuê Kashmir Princess chở ông. Chu Ân Lai đã đổi máy bay nhưng tất cả 16 người trong đội đều thiệt mạng. Với thái độ ôn hoà và ảnh hưởng trong khối các nước không liên kết thời Chiến tranh Lạnh, chính sách ngoại giao của ông nhằm tăng cường quan hệ với các quốc gia trong vùng như Ấn Độ, Myanma và các nước Đông Nam Á, cũng như các quốc gia châu Phi. Năm 1958, chức Bộ trưởng ngoại giao được trao lại cho Trần Nghị Chu Ân Lai tiếp tục giữ chức vụ Thủ tướng cho tới khi ông qua đời năm 1976.

Trọng tâm trong nước của ông sau khi trở thành Thủ tướng là nền kinh tế Trung Quốc, đang ở tình trạng lạc hậu sau nhiều thập kỷ chiến tranh. Ông đặt mục tiêu tăng trưởng sản xuất nông nghiệp thông qua việc tái phân phối ruộng đất. Phát triển công nghiệp cũng là một ưu tiên của ông. Ngoài ra ông còn đưa ra những sáng kiến cải cách môi trường đầu tiên ở Trung Quốc. Trong chính phủ, Mao là người vạch chính sách còn Chu Ân Lai là người thực thi.

Năm 1958, Mao Trạch Đông bắt đầu chương trình Đại nhảy vọt, với mục tiêu tăng mức sản xuất công nghiệp và nông nghiệp của Trung Quốc lên những tầm không tưởng. Là nhà quản lý thực tế và được lòng dân, Chu Ân Lai vẫn giữ được chức vụ của mình trong thời gian này. Cách mạng Văn hoá (1966-1976) ảnh hưởng lớn tới ông tuy nhiên Chu Ân Lai được Mao xem là người có năng lực và ngoan ngoãn phục tùng Mao vì thế ông đã không bị thanh trừng trong cuộc Cách mạng văn hóa như những lãnh đạo khác dám có ý kiến phản đối Mao. Ở những giai đoạn cuối cuộc cách mạng này năm 1975, ông đã đưa ra "bốn hiện đại hoá" để sửa chữa những sai lầm do nó gây ra và sau này trở thành trọng tâm trong chính sách đối nội của Đặng Tiểu Bình[1].

Nổi tiếng là một nhà ngoại giao có tài, Chu Ân Lai chịu trách nhiệm chính trong việc tái lập các mối quan hệ với phương Tây hồi đầu thập niên 1970. Ông đã chào mừng Tổng thống Richard Nixon tới Trung Quốc tháng 2 năm 1972, và ký kết Thông cáo Thượng Hải.

Sau khi biết mình bị ung thư, ông bắt đầu chuyển giao nhiều trách nhiệm của mình cho Đặng Tiểu Bình. Trong những giai đoạn cuối cuộc Cách mạng Văn hoá, Chu Ân Lai chính là mục tiêu mới của các chiến dịch chính trị của Bè lũ bốn tên của Chủ tịch Mao năm 1975 với khẩu hiệu "chỉ trích Tống Giang, đánh giá Thuỷ hử", ám chỉ tới một tác phẩm văn học Trung Quốc, coi Chu Ân Lai là một hình mẫu kẻ thất bại chính trị. Ngoài ra chiến dịch Chỉ trích Lâm, Chỉ trích Khổng (Phê Lâm phê Khổng vận động) cũng nhắm mục tiêu vào Thủ tướng Chu Ân Lai bởi ông bị coi là một trong những đối thủ chính trị của Bè lũ bốn tên.