Ngày 9 tháng 3 năm 1945, Nhật đảo chính Pháp tại Đông Dương. Để mị dân, lôi kéo người Việt Nam ủng hộ sự cai trị của Nhật, quân đội Nhật đã cho thả nhiều tù chính trị, trong đó có cả Võ Toàn. Sau khi được trả tự do, ông về Quảng Nam, được phân công vào Ban Cứu quốc của Tỉnh bộ Việt Minh Quảng Nam, làm Trưởng ban khởi nghĩa, chuẩn bị cướp chính quyền.[10]

Do nỗ lực của ông và các đồng chí, cũng như chủ động nhanh nhạy, khởi nghĩa giành chính quyền ở Quảng Nam, khởi đầu từ Hội An, diễn ra ngày 17 tháng 8 năm 1945. Quảng Nam trở thành một trong 4 tỉnh giành được chính quyền sớm nhất cả nước.[4]

Sau khi Cách mạng tháng 8 thành công, ông được cử làm Trưởng ty Tư pháp tỉnh Quảng Nam - Đà Nẵng. Khi Pháp tái chiếm Đông Dương, ông được cử làm Chính trị viên Trung đoàn 93. Đầu năm 1946, ông làm Phó ban Tổ chức cán bộ và Thanh tra Quân khu V.

Năm 1951, ông làm Bí thư Ban cán sự Đông - Bắc Miên, Khu ủy viên Liên khu V. Tháng 3 năm 1952, ông được cử làm Bí thư Tỉnh ủy Quảng Nam - Đà Nẵng lần thứ 3. Ông giữ chức vụ này đến hết năm 1953. Đầu năm 1954, ông dẫn một đoàn cán bộ lãnh đạo Liên khu 5 ra Bắc học tập kinh nghiệm về cải cách ruộng đất, sau đó được phân công làm Đoàn ủy viên cải cách ruộng đất ở Việt Bắc. Ông được cho là một trong những người đã phát hiện và báo cáo với Trung ương về những sai lầm gây mất đoàn kết ở nông thôn, đồng thời chủ trương không thực hiện cải cách ruộng đất mà chỉ thực hiện giảm tô, hiến ruộng đất. Do động thái này mà Cải cách ruộng đất tạm thời chưa thực hiện triệt để.[9]

Sau Hiệp định Genève, 1954, ông được phân công trở lại Khu V, hoạt động bí mật thay vì tập kết ra Bắc, giữ chức Phó Bí thư Khu ủy. Năm 1960, ông ra Bắc và là một trong những người ủng hộ chủ trương chuyển hướng đấu tranh và tham gia xây dựng Nghị quyết 15. Tháng 9 năm 1960, tại Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ III, ông được bầu làm Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng, Bí thư Khu ủy Khu V.

Ngày 23 tháng 1 năm 1961, Trung ương Cục miền Nam đã được Ban Chấp hành Trung ương Đảng thành lập. Với bí danh Võ Chí Công, hoặc Năm Công, ông được phân công làm Phó bí thư Trung ương Cục. Sau khi Mặt trận Dân tộc Giải phóng miền Nam Việt Nam được thành lập, năm 1962, ông được bầu làm Phó Chủ tịch Ủy ban Trung ương, đại diện của đảng tại Mặt trận. Năm 1964, ông được bổ nhiệm làm Phó Bí thư Trung ương Cục miền Nam, phụ trách Bí thư Khu ủy Khu V, Chính ủy Quân khu V. Năm 1975, ông được cử làm Phó ban Đại diện Trung ương Đảng và Chính phủ ở miền Nam.