Petru Groza a început cariera politică în Partidul Național Român, unde a colaborat cu liderii mișcării naționale a românilor din Ardeal. A fost prezent la Marea Adunare Națională de la Alba Iulia în 1918, unde s-a votat unirea acestor teritorii cu România.
În 1919, a devenit deputat pe listele PNR, iar în 1920 s-a alăturat Partidului Poporului condus de Octavian Goga. A fost numit ministru de stat fără portofoliu în guvernul generalului Averescu între 1921 și 1926, după care a ocupat portofoliul Lucrărilor Publice.
Ulterior, din dezamăgire față de viața politică internă, s-a retras la Deva, revenind în 1933 când a fondat Frontul Plugarilor, o organizație minoră de stânga. Această formațiune a intrat sub influența Partidului Comunist și a semnat acorduri pentru lupta împotriva fascismului.
În următorii ani, Groza a rămas în umbra Partidului Comunist, participând la crearea Frontului Patriotic Antihitlerist și la formarea coaliției Blocului Național Democrat. A fost închis în timpul dictaturii antonesciene în 1943.
După evenimentele de la 23 august 1944, când regele Mihai I l-a demis pe mareșalul Ion Antonescu și a ieșit din alianța cu Germania, Groza a revenit în prim planul scenei politice românești. Un nou guvern, condus de generalul Constantin Sănătescu, a fost format, iar România a semnat armistițiul cu Națiunile Unite, ieșind din războiul antisovietic și angajându-se în lupta împotriva Germaniei hitleriste.
Pe plan intern, Partidul Comunist și Partidul Social Democrat au denunțat colaborarea cu alte partide din Blocul Național Democrat și au format o nouă coaliție numită Frontul Național Democrat. Acest lucru a provocat o criză politică, iar Frontul Plugarilor, condus de Groza, s-a alăturat acestei noi coaliții de stânga. În urma presiunilor politice, generalul Sănătescu a format un nou guvern, iar Groza a fost numit vicepreședinte al Consiliului de Miniștri.
Crizele politice au continuat, iar Constantin Sănătescu a fost nevoit să-și depună mandatul. Un nou guvern a fost format, iar Groza și-a păstrat poziția de viceprim-ministru. Frontul Național Democrat a acționat pentru preluarea puterii și înlăturarea “forțelor reacționare”, pregătind terenul pentru preluarea guvernului. Sub presiunea Uniunii Sovietice, regele Mihai I l-a însărcinat pe Groza să formeze noul guvern. Deși Partidul Comunist deținea doar câteva portofolii ministeriale, acesta exercita controlul efectiv asupra guvernului, dictat de la Moscova.
După ce guvernul american a cerut instituirea unui regim democratic în România pentru a semna un tratat final de pace, atât Petru Groza cât și ministrul de Externe Gheorghe Tătărescu au respins cererea, declarând-o nulă. În fața refuzului lui Groza de a demisiona, regele Mihai a instituit greva regală în 21 august și a refuzat să contrasemneze actele guvernului. O conferință din decembrie 1945 a decis numirea unor membri ai partidelor PNL și PNȚ în guvern, urmată de organizarea unor alegeri libere și asigurarea libertății presei și a asociațiilor.
Alegerile din noiembrie 1946 au fost marcate de abuzuri grave și atacuri politice exacerbate. Cu toate asigurările occidentale, guvernul a folosit tactici de manipulare a voturilor, iar rezultatele oficiale au favorizat blocul guvernamental. Opoziția a acuzat frauda și a afirmat că de fapt ea a câștigat alegerile. Divergențele între puterile occidentale și Moscova au fost evidente, dar tratatul de pace semnat în februarie 1947 a lăsat România sub controlul exclusiv al Uniunii Sovietice, limitând influența occidentală în țară.
După alegerile parlamentare, guvernul Groza și-a propus să obțină controlul total al puterii în stat și să elimine orice formă de opoziție. Planul a fost conceput de ministrul de Interne, Teohari Georgescu, și de Pantelei Bodnarenko, un ofițer de informații sovietic. Încă din 1947, autoritățile comuniste au inițiat o serie de arestări abuzive împotriva adversarilor politici. La 14 iulie 1947, oficialitățile au organizat o capcană pentru liderii principali ai PNȚ, care se pregăteau să plece în Marea Britanie pentru a atrage atenția diplomaților occidentali asupra situației din țară. Această înscenare de la Tămădău a fost calificată drept trădare națională și a devenit un caz politic major.
Pentru a implica PNȚ și pe Iuliu Maniu, autoritățile au extins acuzațiile de la tentativa de evadare frauduloasă din țară la activități cu conotații politice. La 30 iulie 1947, printr-un jurnal al Consiliului de Miniștri, s-a hotărât dizolvarea Partidului Național Țărănesc. În aceeași zi, Adunarea Deputaților a aprobat dizolvarea cu o largă majoritate de voturi. Decizia de dizolvare a inclus toate organizațiile județene, de plasă și comunale ale partidului, precum și organizațiile militare, de tineret, de femei și orice alte asociații conduse de acesta.
Pe 1 noiembrie, Partidul Național Liberal a decis să își înceteze activitatea. Cinci zile mai târziu, Adunarea Deputaților a adoptat o moțiune de neîncredere în Gheorghe Tătărescu, ministrul de Externe și vicepreședintele Consiliului de Miniștri. În ziua următoare, reprezentanții PNL-Tătărescu au demisionat din guvern. Procesul împotriva liderilor PNȚ a avut loc între 29 octombrie și 4 noiembrie.
Sentința a fost stabilită înainte de proces, fiind bazată pe acuzații lipsite de probe concrete, ci pe indicații politice venite de la Moscova și prezentate sub forma unei justificări juridice la București. Iuliu Maniu și Ion Mihalache au fost singurii condamnați la închisoare pe viață.
Pe 24 februarie 1948, Adunarea Deputaților a fost dizolvată, iar trei zile mai târziu s-a format Frontul Democrației Populare, o alianță electorală care a inclus Partidul Muncitoresc Român, Frontul Plugarilor, PNL-Bejan și Uniunea Populară Maghiară. Alegerile pentru Marea Adunare Națională au avut loc pe 28 martie, iar Constituția Republicii Populare Române a fost promulgată pe 13 aprilie 1948.
Petru Groza a continuat să fie prim-ministru până pe 2 iunie 1952, când a preluat funcția de președinte al prezidiului Marii Adunări Naționale, rămânând în această poziție până la sfârșitul vieții sale.
Începând cu anul 1948, autoritățile comuniste au adoptat politici staliniste, inclusiv naționalizarea industriei și colectivizarea agriculturii. România a devenit membru fondator al CAER în 1949 și al Tratatului de la Varșovia în 1955.
Deși bolnav, Groza a fost forțat să accepte dizolvarea Frontului Plugarilor în 1953, dar nu s-a alăturat Partidului Muncitoresc Român, reușind totuși să ocupe poziții de frunte în regimul comunist fără a fi membru de partid.
Petru Groza a murit pe 7 ianuarie 1958, la vârsta de 73 de ani, și a fost înmormântat inițial în Cimitirul Ghencea-Militar, ulterior fiind transferat în cavoul familiei din cimitirul din Băcia, localitatea sa natală.
După 1990, statuile lui Petru Groza au fost coborâte de pe socluri, dar una dintre ele a fost repusă în 2007 în Băcia, iar în Deva există o casă memorială dedicată lui.