Sau 6 tháng làm Phó thủ tướng, Triệu Tử Dương được chỉ định làm Thủ tướng năm 1980 thay thế Hoa Quốc Phong, được chỉ định làm người kế tục của Mao, người khi ấy đang dần bị Đặng Tiểu Bình hất cẳng.

Ông đã đưa ra "lý thuyết giai đoạn đầu tiên," một tiến trình biến đổi hệ thống xã hội chủ nghĩa đặt ra nền tảng giai đoạn cho hầu hết các cải cách kinh tế sau này ở Trung Quốc. Với tư cách Thủ tướng, ông đã áp dụng nhiều chính sách từng mang lại thành công ở Tứ Xuyên, gồm cả việc trao quyền tự quản hạn chế cho các doanh nghiệp công nghiệp và tăng quyền tự quyết trong sản xuất nông nghiệp của người nông dân. Triệu Tử Dương khuyến khích các tỉnh ven biển phát triển trở thành những vùng kinh tế đặc biệt thu hút đầu tư nước ngoài và tạo ra các cổng xuất khẩu. Chính sách này đã mang lại tăng trưởng mạnh mẽ trong cả sản lượng nông nghiệp và công nghiệp trong suốt thập niên 1980, nhưng cải cách kinh tế của ông cũng bị chỉ trích vì dẫn tới lạm phát. Triệu Tử Dương cũng kiên quyết ủng hộ một chính sách đối ngoại mở, tạo lập quan hệ tốt với phương Tây, lực lượng có khả năng giúp đỡ Trung Quốc phát triển kinh tế.

Triệu Tử Dương là người tin tưởng tuyệt đối vào đảng, nhưng ông định nghĩa về chủ nghĩa xã hội khác biệt so với những đảng viên bảo thủ. Triệu Tử Dương gọi cuộc cải cách chính trị là "cuộc thử nghiệm lớn nhất của chủ nghĩa xã hội." Ông tin rằng tăng trưởng kinh tế kết nối trực tiếp với dân chủ hóa. Ngay từ năm 1986, Triệu Tử Dương là lãnh đạo cao cấp đầu tiên của Trung Quốc kêu gọi thay đổi, bằng cách đưa ra các ứng cử viên trong các cuộc bầu cử từ cấp xã cho tới Uỷ ban Trung ương.

Trong thập niên 1980, Triệu Tử Dương được nhiều người coi là một cá nhân theo chủ nghĩa xét lại Chủ nghĩa Mác. Ông ủng hộ sự minh bạch trong hoạt động của chính phủ và một cuộc đối thoại quốc gia gồm cả các công dân bình thường trong quá trình lập chính sách, khiến ông nổi tiếng trong đông đảo dân chúng. Tại Tứ Xuyên, nơi ông áp dụng chính sách tái cơ cấu kinh tế từ thập niên 1970, có câu nói: "要吃粮，找紫阳" (yao chi liang, zhao Ziyang, âm Hán-Việt: yếu ngật lương, trảo Tử Dương). Cách chơi chữ theo tên ông, dịch thoát có nghĩa "nếu bạn muốn kiếm sống, hãy theo Tử Dương."

Tháng 1 năm 1987, Đặng Tiểu Bình buộc nhà lãnh đạo phe cải cách Hồ Diệu Bang từ chức vì quá khoan dung với các sinh viên phản kháng; Triệu Tử Dương lên thay thế ông làm Tổng bí thư Đảng Cộng sản Trung Quốc, ghế Thủ tướng được nhường lại cho Lý Bằng. Điều này khiến ông trở thành ứng cử viên sẽ thay thế Đặng trở thành nhà lãnh đạo tối cao. Trong khi Tổng bí thư Triệu Tử Dương nới lỏng kiểm soát chính phủ trong lĩnh vực công nghiệp và tạo lập các vùng tự do kinh doanh ở các tỉnh ven biển, Thủ tướng Lý Bằng lại ưa thích cách tiếp cận thận trọng hơn và muốn dựa nhiều hơn vào kế hoạch hóa trung ương và quản lý từ bên trên.

Trong Đại hội Đảng năm 1987 Triệu Tử Dương tuyên bố Trung Quốc đang ở trong "một giai đoạn đầu của chủ nghĩa xã hội" có thể kéo dài 100 năm. Theo tiền đề này, Trung Quốc cần thử nghiệm nhiều hệ thống kinh tế nhằm kích thích sản xuất. Triệu Tử Dương đã đề xuất tách biệt các vai trò của Đảng và Nhà nước, một đề xuất từ đó đã trở thành chủ đề cấm kỵ. Theo các nhà quan sát phương Tây, 2 năm làm Tổng bí thư của Triệu Tử Dương là thời gian mở cửa nhất trong lịch sử Trung Quốc hiện đại—nhiều hạn chế về tự do ngôn luận và tự do báo chí đã được nới lỏng, cho phép giới trí thức tự do đề xuất các cải thiện cho đất nước.

Một điều không kém tầm quan trọng, trong khu vực kinh tế, Triệu Tử Dương là một trong những lãnh đạo đầu tiên ủng hộ việc giảm kiểm soát nhà nước với các doanh nghiệp và tăng cường sở hữu tư nhân qua cổ phần hóa. Dù ý tưởng đó cũng đã trở thành một điều cấm kị trong thời cầm quyền của ông, nó đã thực sự trở thành thực tế từ thập niên 1990.

Đề xuất của Triệu Tử Dương vào tháng 5 năm 1988 nhằm tăng cải cách giá dẫn đến những lời phàn nàn trên toàn quốc về lạm phát siêu tốc và khiến những đối thủ phản đối cải cách nhanh chóng kêu gọi trung ương hóa hơn nữa các biện pháp quản lý kinh tế và ngăn chặn mạnh hơn những ảnh hưởng từ phương Tây. Hiện tượng này khiến một cuộc tranh luận chính trị nhanh chóng xuất hiện, và ngày càng trở nên sôi nổi trong mùa đông năm 1988 tới 1989.

Nửa sau năm 1988 môi trường chính trị của Triệu Tử Dương dần giảm sút. Trên thực tế, chính Triệu Tử Dương rơi vào cuộc chiến đa mặt trận với những đảng viên lớp già, những người ngày càng bất mãn với cách tiếp cận của ông với những vấn đề ý thức hệ, cũng như phái bảo thủ trong Bộ Chính trị dẫn đầu là Lý Bằng và Diêu Y Lâm, những người luôn đối lập với ông trong việc lập chính sách kinh tế và tài chính. Cùng lúc ấy, Triệu Tử Dương phải đối đầu với áp lực ngày càng tăng từ tình trạng tham nhũng từ các quan chức và thành viên gia đình họ.

Sau năm 1989, rõ ràng Triệu Tử Dương phải đương đầu với khó khăn ngày càng lớn, tới mức ông phải chiến đấu cho sinh mệnh chính trị của chính mình. Nếu ông không có khả năng thay đổi mọi việc một cách nhanh chóng, một cuộc đấu tranh cuối cùng với các thành viên bảo thủ trong đảng là điều không thể tránh được. Và nó đã diễn ra, các cuộc phản kháng của sinh viên bắt nguồn từ cái chết bất ngờ của cựu Tổng bí thư Đảng Cộng sản Trung Quốc Hồ Diệu Bang, được nhiều người coi là một lãnh đạo có đầu óc cải cách, đã trao cho Triệu Tử Dương cơ hội vàng để giành lại quyền lực chính trị và thúc đẩy thực hiện kế hoạch cải cách của mình.