Cách mạng tháng Tám 1945 nổ ra, ông tham gia chính quyền Việt Minh với tư cách nhân sĩ tự do. Khi Pháp tái chiếm Đông Dương, ông được cử giữ chức Chủ tịch Ủy ban Hành chính Kháng chiến tỉnh Tây Ninh. Tuy nhiên, năm 1946, do ông biết lực lượng Việt Minh là Cộng sản quy chụp cho nhiều trí thức là Việt gian rồi đem thủ tiêu nên ông bỏ về quê sống ẩn dật[1] và tuyên bố bất hợp tác với cả chính quyền Việt Minh lẫn Pháp và Cộng hòa tự trị Nam Kỳ, sau này là Quốc gia Việt Nam. Sau đó, ông vào Sài Gòn mở hiệu thuốc cho đến năm 1954.[1] Trong thời gian đó ông lập đảng Phục Hưng, nhóm họp một số nhân vật chính trị như Tổng trưởng Kinh tế và Kế hoạch Trần Văn Văn.[2]

Sau Hiệp định Genève, năm 1955, ông ra làm đô trưởng Sài Gòn trong chính quyền của Thủ tướng Ngô Đình Diệm một thời gian ngắn. Sau đó, ông từ chức để phản đối chính sách độc tài gia đình trị của Ngô Đình Diệm thời Đệ Nhất Cộng hòa. Năm 1960, ông cùng 17 nhân sĩ thành lập nhóm Tự do Tiến bộ, tổ chức họp báo tại khách sạn Caravelle (thường được gọi là "nhóm Caravelle"), chính thức xác nhận địa vị đối lập với chính quyền. Khi cuộc đảo chính của đại tá Nguyễn Chánh Thi đứng đầu nổ ra, nhóm đã tuyên bố ủng hộ. Vì thế ông cùng 17 vị nhân sĩ nhóm Caravelle bị chính quyền bắt giam. Trong tù, ông có viết một tập thơ lấy tên là Lao trung lãnh vận (tức "Những vần thơ lạnh lẽo ở trong tù").

Thủ tướng

Sau khi chính quyền Ngô Đình Diệm bị lật đổ, năm 1964, ông lại được cử giữ chức Đô trưởng Sài Gòn lần thứ hai. Không lâu sau, ngày 4 tháng 11 năm 1964, ông lại được Quốc trưởng Phan Khắc Sửu mời giữ ghế Thủ tướng và lập Nội các:[3]

Sang Tháng Giêng năm 1965 trước áp lực của phe quân nhân, Trần Văn Hương phải cải tổ Nội các, thu nạp thêm bốn tướng lãnh. Nội các mới có thêm những chức vụ sau đây.

Nguyễn Xuân Oánh chuyển xuống làm Đệ Tam Phó thủ tướng.[4] Tuy nhiên chính phủ của Trần Văn Hương không tồn tại được lâu vì ngày 27 tháng 1 năm 1965, tướng Nguyễn Khánh làm cuộc chỉnh lý, lật đổ chính quyền dân sự và Quốc trưởng Phan Khắc Sửu bị truất phế. Trần Văn Hương cũng bị bắt và quản thúc một thời gian ở Vũng Tàu.

Năm 1968, để tạo ảnh hưởng, Tổng thống Nguyễn Văn Thiệu đã mời ông ra làm Thủ tướng lần thứ hai.

Phó tổng thống

Năm 1971, ông cùng Nguyễn Văn Thiệu liên danh ứng cử và đắc cử chức vụ Phó tổng thống nhiệm kỳ 1971-1975.

Tổng thống

Ngày 21 tháng 4 năm 1975, Tổng thống Nguyễn Văn Thiệu phải tuyên bố từ chức và trao quyền lại cho Phó tổng thống Trần Văn Hương. Ông cũng chỉ nắm chức vụ trong 7 ngày. Ngày 28 tháng 4, ông đã trao quyền lãnh đạo cho tướng Dương Văn Minh để tìm cách điều đình với lực lượng Chính phủ Cách mạng lâm thời Cộng hòa miền Nam Việt Nam đang tiến vào sát thủ đô Sài Gòn. Ông được xem là vị tổng thống dân cử cuối cùng của Việt Nam Cộng hòa.