Cách mạng Tháng 8/1945 thành công, Phan Tư Nghĩa được cử làm Ủy viên Ủy ban Nhân dân Cách mạng Bắc Bộ phụ trách kinh tế, tài chính. Ông là thành viên Hội nghiên cứu chủ nghĩa Mác ở Đông Dương.

Ông được bầu là đại biểu Quốc hội Việt Nam khoá I đại diện tỉnh Thái Bình. Tại Kỳ họp đầu tiên của Quốc hội Khóa I năm 1946, trước âm mưu của số đại biểu Quốc dân đảng trong Quốc hội dùng một số tờ báo lá cải hồi bấy giờ, như tờ "Thiết thực", đòi thay cờ đỏ sao vàng bằng lá cờ khác làm Quốc kỳ, ông mạnh mẽ lên tiếng: "Sẽ là một sự sỉ nhục nếu muốn làm việc đó. Lá cờ đỏ sao vàng đã thấm máu bao nhiêu chiến sĩ anh hùng. Tôi đề nghị Quốc hội hãy tuyên dương trang trọng Quốc kỳ vinh quang này!" (Hồi ký Đại biểu Quốc hội Khóa I, Nhà xuất bản Chính trị Quốc gia, năm 2000, tr.121).Phát biểu của ông được đông đảo đại biểu Quốc hội tán thành và sau biểu quyết, lá cờ đỏ sao vàng chính thức trở thành Quốc kỳ của nước ta từ đó đến nay

Sau đó ông là Tổng thư ký Đảng Xã hội Việt Nam (1946 - 56) kiêm chủ bút báo "Tiến lên" (1946 - 48).

Từ 1948 đến 1955, ông liên tục là Uỷ viên, Uỷ viên thường vụ Hội và Mặt trận Liên hiệp Quốc dân Việt Nam (gọi tắt là Liên Việt). Chủ tịch Hội Nghiên cứu Chủ nghĩa Mác ở Vĩnh Yên (nay thuộc Vĩnh Phúc; 1946 - 51).

Từ 1957 đến 1978, ông là Uỷ viên Ban Thư ký Mặt trận Tổ quốc Việt Nam, thường trực Uỷ ban Trung ương Đảng Xã hội Việt Nam, Đại biểu Quốc hội khoá II, III [2].

Năm 1964 ông được cử làm Hội thẩm Nhân dân Tòa án Nhân dân Tối cao [3]. Ủy viên Ủy ban Văn hóa Xã hội của Quốc hội [4]

Ông được Nhà nước tặng thưởng Huân chương Độc lập hạng nhất (1984), Huy chương "Vì sự nghiệp đại đoàn kết toàn dân" (1989).

Ông mất ngày 28 tháng 1 năm 2009 [5].