Efter valet 1976, då Centerpartiet fick hela 25,1 procent av rösterna, blev Fälldin från ångermanländska Ramvik Sveriges statsminister.
Tillsammans med Moderaterna och Folkpartiet var Fälldin därmed med om att bryta Socialdemokraternas 40-åriga regeringsinnehav.
Kärnkraften svårlöst nöt
Fälldin hade, trots utfästelser om motsatsen, tvingats acceptera en laddning av reaktorn Barsebäck II. Den olösta kärnkraftsfrågan kom att prägla regeringsarbetet och efter två år som statsminister lämnade Fälldin in sin avskedsansökan. Efter valet 1979, då man hade beslutat att hålla folkomröstning om kärnkraften, blev Fälldin åter statsminister i en ny trepartiregering. Denna upplöstes 1981 på grund av oenighet i skattefrågan. Fälldin bildade nu sin tredje regering, en C–FP-koalition.
Efter valet 1982 tvingades Fälldin i opposition. 1985 gjorde Centerpartiet ett svagt val och Fälldin slutade både som partiledare och riksdagsman.
Anspråkslös och seriös
Fälldins insatser som politiker var omstridda under hans tid som statsminister, inte minst på grund av kärnkraftsfrågan. I efterhand har Fälldin av många fått upprättelse, inte minst för sitt arbete med att nå samförstånd inom det borgerliga blocket. Han uppskattades också för sin personliga anspråkslöshet och sin vilja att grundligt sätta sig in i viktiga frågor före beslut.
Thorbjörn Fälldins karriär inom Centerpartiet kom att sträcka sig över fyra decennier. Han valdes in i riksdagen 1958 och blev partiordförande 1971.
