W 1950 stanął na czele rządu Bułgarii. Cieszył się zaufaniem Stalina, dzięki swojej silnej pozycji mógł łączyć urząd premiera i stanowisko I sekretarza KC Bułgarskiej Partii Komunistycznej. W 1954 jego znaczenie spadło, co zmusiło go do rezygnacji z funkcji sekretarza. Premierem Bułgarii pozostał natomiast jeszcze przez dwa lata. Bułgarią rządził na wzór stalinowski, stosował masowe represje, zwalczał opozycję i rozwinął kult swojej osoby, nazywany był „bułgarskim Stalinem”. W okresie pełnienia przez niego urzędu premiera kontynuowano rozpoczętą w 1949 kolektywizację rolnictwa, która w 1952 objęła 60% gruntów rolnych. W 1953 Czerwenkow ogłosił zmianę kursu gospodarczego, zapowiadając zwiększenie inwestycji w dobra konsumpcyjne i budownictwo mieszkaniowe, przy zmniejszeniu tempa rozwoju przemysłu ciężkiego. Zapowiedź ta w praktyce nie została jednak zrealizowana do końca dziesięciolecia.