Его называли «болгарский Ленин», после смерти в эпоху социализма в Болгарии ему был построен мавзолей в Софии наподобие ленинского и его именовали «вождём» болгарского народа.
Сын ремесленника. С 1894 года работал наборщиком. С 1901 года — секретарь профсоюза печатников (София).
В 1902 году вступил в Болгарскую рабочую социал-демократическую партию (БРСД), а в 1903 году вошёл в большевистскую её часть — «тесных социалистов». С 1909 года — член ЦК БРСД (тесных социалистов), которая в 1919 году была преобразована в Болгарскую коммунистическую партию (БКП). В 1909—1923 годах секретарь Общего рабочего профсоюза, организатор забастовок. В 1913—1923 годах — депутат Болгарского парламента. В 1921 году участвовал в работе III конгресса Коминтерна и в том же году был избран членом Центрального совета Профинтерна. В сентябре 1923 года — один из руководителей вооруженного восстания против правительства Цанкова в Болгарии. После провала попытки захвата власти бежал вместе с В. Коларовым и другими агентами Коминтерна в Югославию, затем жил в СССР. За участие в вооруженном мятеже был заочно приговорён к смертной казни.
Осенью 1929 года переехал в Германию. Проживал в Берлине инкогнито. Активно участвовал в деятельности Коминтерна, вёл коммунистическую пропаганду.
Был арестован нацистами по обвинению в причастности к поджогу Рейхстага 27 февраля 1933 года, однако на Лейпцигском процессе (сентябрь-декабрь 1933) был оправдан так как имел алиби. Димитров хорошо владел немецким языком и его выступления на процессе были широко использованы в антифашистской пропаганде, а самому Димитрову было предоставлено советское гражданство, и СССР потребовал его выдачи.
27 февраля 1934 года прибыл в СССР. В 1930-х годах наряду с Эрнстом Тельманом и Долорес Ибаррури — один из харизматичных лидеров международного коммунистического движения. В 1935 году был избран генеральным секретарём Исполкома Коминтерна (ИККИ).
После VII конгресса Коминтерн провозгласил курс на широкую антифашистскую коалицию. Однако в связи с репрессиями 1937—1938 годов влияние Коминтерна заметно снизилось. Димитров не был репрессирован, в отличие от большинства руководителей компартий Восточной Европы.
В 1937—1945 годах — депутат Верховного Совета СССР. 22 июня 1941 года был поставлен во главе «руководящей тройки» ИККИ и возглавил всю текущую его деятельность. В 1942 году поставлен во главе созданного под контролем Москвы Отечественного фронта Болгарии. 15 мая 1943 года Коминтерн был распущен, и Димитров в июне 1943 года был назначен заведующим отделом международной (внешней) политики ЦК ВКП(б), который благодаря Димитрову стал фактическим преемником дела Исполкома Коминтерна.
После того как в Болгарии был установлен советский режим, Димитров в ноябре 1945 года прибыл на родину. С 6 ноября 1946 года — председатель Совета министров. С декабря 1947 года и до смерти — генеральный секретарь ЦК БКП.
В эпоху Димитрова Болгария стала сильно зависеть от СССР и даже называлась иногда «семнадцатой республикой Советского Союза» (с 1940 по 1956 годы в СССР было 16 республик, включая Карело-Финскую, преобразованную в АССР в составе РСФСР в 1956 году).
Димитров активно поддерживал идею создания болгаро-югославской федерации, что после разрыва И. В. Сталина с И. Броз Тито вызвало большое недовольство советского руководства. После осуждения ЦК ВКП(б) позиции Тито, Димитров, тем не менее, выступил в поддержку югославского лидера.
Незадолго до своей смерти, в апреле 1949 года, Димитров приехал в Москву вместе с Л. П. Берией, по настоятельной просьбе самого Берии, который уговорил болгарского вождя приехать на лечение. У Димитрова был цирроз печени, сахарный диабет, хронический простатит. Уже через две недели после приезда состояние здоровья Димитрова, резко ухудшается. 2 июля 1949 года Георгий Димитров умирает в Барвихе под Москвой, где он проходил лечение четыре месяца. Видные советские врачи диагностировали сердечную недостаточность II степени.
Тело Димитрова доставляется в Софию уже вскрытое и забальзамированное.
Болгарские врачи не имели доступа к телу более пяти лет.
Петер Гылыбов, у которого хранится мозг Димитрова, был сотрудником болгарской мавзолейной группы с 1949 по 1990 годы, до момента захоронения Георгия Димитрова. При перезахоронении Гылыбову удалось взять образцы волос Димитрова и вместе со своими коллегами провести экспертизу имевшихся останков. Экспертиза показала, что в образцах волос повышено содержание ртути. Однако, версия отравления так и не стала официальной. При этом, содержащая ртуть сулема используется в бальзамировании в виде 1% раствора.
Мумифицированное тело Георгия Димитрова, в саркофаге, было помещено в специально построенный мавзолей. После падения коммунистического режима в Болгарии, в 1990 году, партия БСП (бывшая Болгарская коммунистическая партия) по просьбе родственников (согласно официальной версии) приняла решение о перезахоронении тела. Тело бывшего вождя вынесли из мавзолея тайно, поздней ночью. 25 февраля 1992 года Общинский совет Софии принял решение о сносе мавзолея, как сооружения, идеологически и архитектурно чуждого центру города.
В августе 1999 года здание взорвали с пятой попытки, обломки вывозились машинами и разбирались на сувениры. Сегодня о мавзолее в Софии ничто не напоминает. Там, где он стоял 42.695833, 23.326389 — забетонированная площадка.
Ныне документальные кадры с мавзолеем можно увидеть в видеозале Музея социалистического искусства в Софии.
В секретной советской корреспонденции для Г. Димитрова использовалось кодовое имя «Бриллиант».