Ngày 17 tháng 4 năm 1945, Hoàng Xuân Hãn tham dự nội các Trần Trọng Kim với chức vụ Bộ trưởng Giáo dục - Mỹ thuật.

Từ ngày 20 tháng 4 đến ngày 20 tháng 6 năm 1945, với chức bộ trưởng, ông đã thiết lập và ban hành chương trình giáo dục bằng chữ Quốc ngữ ở các trường học. Áp dụng việc học và thi Tú Tài bằng tiếng Việt, dùng tiếng Việt trong những công văn chính thức. Chính phủ Trần Trọng Kim tại chức được 4 tháng.

Sau ngày chính phủ Trần Trọng Kim từ nhiệm, Hoàng Xuân Hãn trở về dạy và viết sách toán bằng tiếng Việt, cùng cứu vãn những sách cũ, sách cổ bị đưa bán làm giấy lộn khắp đường phố Hà Nội.

Năm 1945, ông bắt đầu nghiên cứu truyện Kiều.

Từ 16 tháng 4 đến 12 tháng 5 năm 1946, Hoàng Xuân Hãn tham gia phái đoàn Việt Nam dự Hội nghị Đà Lạt. Năm 1946 khi chiến tranh Pháp – Việt bùng nổ, ông bị kẹt ở Hà Nội.

Năm 1949, Hoàng Xuân Hãn xuất bản Lý Thường Kiệt.