وی بعد از سقوط رضاشاه، از تبعید به عرصهٔ سیاست بازگشت. در سال ۱۳۲۸ با چندین حزب وارد اتحاد شد و با همکاری افرادی مانند حسین فاطمی به تأسیس جبههٔ ملی ایران اقدام کرد. جبههٔ ملی و در رأس آن‌ها مصدق، به پیشنهاد فاطمی برای شروع استعمارستیزی در ایران، ملی شدن صنعت نفت را مطرح کردند. مصدق در سال ۱۳۳۰ به نخست وزیری رسید و در اولین قدم، نفت ایران را ملی کرد. به همین دلیل طرح سقوط دولت او توسط انگلستان (که تا قبل از ملی شدن نفت، صاحب عمدهٔ نفت ایران بود) ریخته شد و سرانجام در کودتای ۲۸ مرداد که توسط سازمان سیا انجام شد، دولت مصدق به صورت غیرقانونی و در حالی که محمدرضا پهلوی شدیداً با مصدق مخالفت می‌کرد و خواستار سقوط دولت مصدق بود، ساقط شد. یکی دیگر از دلایل سقوط دولت او، مخالفت‌های ابوالقاسم کاشانی با مصدق بود.کاشانی در حالی که قبلاً از مصدق حمایت می‌کرد، به همراه جمع کثیری از روحانیون به مخالفت با مصدق برخاست. بعد از آن مصدق در دادگاه نظامی محاکمه شد و علی‌رغم دفاعیهٔ مستندی که از خود ارایه داد، به سه سال حبس انفرادی محکوم شد.پس از تحمل سه سال زندان، مصدق به دستورمحمدرضا پهلوی به قلعهٔ احمدآباد تبعید شد و تا پایان عمر خود، در آن جا تحت نظارت قرار داشت و به گفتهٔ خودش، «هر روز آرزوی مرگ می‌کرد»مصدق سرانجام در ۱۴ اسفند ۱۳۴۵ بر اثر بیماری سرطان در ۸۷ سالگی در بیمارستان نجمیهٔ تهران تحت نظر مأموران ساواک درگذشت و به دلیل مخالفت شاه با دفن او مطابق با وصیت‌نامه‌اش درکنار کشته‌شدگان قیام سی تیر، در احمدآباد به خاک سپرده شد.

مصدق از طرفداران انقلاب مشروطهٔ ایران بود و معتقد بود که شاه فقط باید نمادی برای وحدت باشد. مصدق در دوران نخست وزیری کوشید تا قدرت شاه را محدود به چارچوب مشخص شدهٔ آن در قانون اساسی مشروطه کند. در این دوره محمد مصدق به وضوح، قدرت برتر کشور (نسبت به شاه) بود.مصدق که در زمان نخست وزیری توانسته بود مشروطه را کاملاً اجرا کند و قدرت شاه و خانوادهٔ سلطنتی را محدود کند، بعد از کودتای بیست و هشتم مرداد، هم‌چنان منتقد حکومت محمد رضا شاه بود. در زمان نخست وزیری او، خانوادهٔ سلطنتی (به خصوص اشرف پهلوی) از مخالفین سرسخت مصدق بودند. محققان معتقدند در جستجوی ریشهٔ اصلی انقلاب ۱۳۵۷ ایران، می‌توان به کودتای ۲۸ مرداد سال ۱۳۳۲ بازگشت.

اگرچه محمدرضا پهلوی کودتای بیست و هشتم مرداد را قیام مردم و رستاخیز ملی ایران می‌نامید. ولی شصت سال پس از کودتای بیست و هشتم مرداد سازمان سیا با انتشار اسنادی، به دخالت مستقیمِ خود در ایران معترف شد. دکتر محمد مصدق چهرهٔ آزادی‌خواه پرشور و استعمارستیزی بود که بر کشورهای خاور میانه همچون مصر تأثیر گذاشت. او نخستین دولتمرد خاورمیانه بود که با اجرایی کردن اندیشه ملی شدن صنعت نفت پرچم مبارزه اقتصادی با قدرت‌های استعماری را برافراشت. از این رو در کشورهای خاورمیانه از او به عنوان «زعیم الشرق» یاد می‌شد و حتی جمال عبدالناصر خیابانی را در قاهره به نام محمد مصدق نام نهاد که اکنون نیز به این نام خوانده می‌شود. او به طرق مختلف سرمشقی برای ملی گرایانخاورمیانه همچون جمال عبدالناصر بود