עם תחילת המהפכה, היה ג'פרסון קולונל ומונה למפקד המיליציה של מחוז אלבאמרל ב-26 בספטמבר 1775. לאחר מכן נבחר לבית הצירים של וירג'יניה בספטמבר 1776, כדי לגמור את כתיבת חוקת המדינה. במשך שלוש שנים, עזר בכתיבת חוקת וירג'יניה, והתגאה בחוק שקבע חופש דתי, ואסר על המדינה לתמוך במוסדות דתיים או לאכוף לימודי דת. החוק לא עבר, וכך גם החוק שלו להוריד ממעמדה את הכנסייה האנגליקנית, אולם שני החוקים הועברו מאוחר יותר בידי ג'יימס מדיסון.
ב-1778, הוטל על ג'פרסון לשנות את חוקי המדינה. הוא העביר מאה עשרים ושישה חוקים בתוך שלוש שנים, כולל חוקים שפישטו את מערכת המשפט. הוא חוקק חוקים בנוגע לחינוך כללי, שהוא החשיב לבסיס הממשל הרפובליקני. הוא הודאג מכך שהחברה בווירג'יניה הפכה לאריסטוקרטית. הוא ביטל הפרדות מעמדיות, וחוקי ירושה עם העדפת הבן הבכור. החוקים קבעו שמי שירש את האדמה לא יכול היה למכור אותה, אולם נאלץ להוריש אותה לבנו הבכור. כתוצאה, המטעים הגדולים באזורי הטבק, שהחקלאים הלבנים והעבדים השחורים עיבדו, התחזקו. במהלך עידן המהפכה, כל החוקים הללו בוטלו בידי המדינות.
ג'פרסון נבחר פעמיים לתפקיד מושל, ב-1779 וב-1780. הוא העביר את הבירה לריצ'מונד והגיש חוקים לחינוך ציבורי, חופש דתי ושינוי חוקי הירושה.
כשהגנרל בנדיקט ארנולד פלש ב-1781 לווירג'יניה, ברח ג'פרסון מריצ'מונד כשהעיר נשרפה בידי הבריטים. גנרל צ'ארלס קורנווליס שלח כוח ללכוד את ג'פרסון, אולם המיליציה מנעה זאת. ג'פרסון ברח למטע שלו במערב. כשהאספה הכללית התכנסה מחדש ביוני 1781, נחקרו פעולותיו של ג'פרסון. האספה הסיקה שג'פרסון פעל בכבוד- אולם הוא לא נבחר מחדש.
באפריל, מתה בתו לוסי בגיל שנה. בת שנייה עם אותו השם נולדה כעבור שנה, אולם מתה בגיל שלוש.
הערות על מדינת וירג'יניה.
ג'פרסון קיבל מכתב ב-1780, מפוליטיקאי צרפתי שאסף נתונים על ארצות הברית, בנוגע לגאוגרפיה, ההיסטוריה והממשלה של וירג'יניה. ג'פרסון כלל את תגובתו בספרו, "הערות על מדינת וירג'יניה". הוא עבד על הספר במשך יותר מחמש שנים, כולל בחינת ידע מדעי, היסטוריה, פוליטיקה, חוקים, תרבות, וגאוגרפיה של וירג'יניה. הספר מביא את וירג'יניה כדוגמה לחברה בריאה. ג'פרסון חקר את המשאבים והכלכלה של המדינה, וכתב על עבדות, נישואי תערובת, ואמונתו שהשחורים והלבנים לא יוכלו לחיות בחברה אחת בגלל כעסם של העבדים. הוא גם כתב את עמדותיו בנוגע לאינדיאנים וטען שהיו שווי ערך למתיישבים האירופאים.
הספר פורסם בצרפתית ב-1785 ובאנגלית ב-1787. הספר הפתיע רבים בהיקף המידע שלו, ונחשב ליצירת מופת.
חבר קונגרס.
ארצות הברית הקימה את קונגרס הקונפדרציה לאחר ניצחונה במלחמה המהפכנית ולאחר החתימה על חוזה השלום עם בריטניה ב-1783, וג'פרסון מונה לציר מטעם וירג'יניה. הוא היה חבר בוועדה שקבעה שערי חליפין והמליצה על מטבע אמריקני שמבוסס על מערכת עשרונית. הוא ייעץ ליצור ועדה של המדינות שתמנע ואקום שלטוני כשהקונגרס היה בפגרה. הוועדה אמנם הוקמה, אולם חילוקי הדעות בתוכה מנעו ממנה לפעול.
ב-1783 וב-1784, ניהל ג'פרסון כמה ועדות במטרה להקים ממשלה ברפובליקה החדשה ולהציע מדיניות ליישוב הטריטוריות המערביות. ג'פרסון כתב את החוק שחייב את וירג'יניה להעניק לממשלה את האזור מצפון לנהר אוהיו. הוא התעקש שאסור להשתמש בטריטוריה כמושבה, אלא לחלק אותה למחוזות שיהפכו למדינות. הוא תכנן גבולות לתשע מדינות חדשות ואסר על עבדות בתחום הטריטוריות. הקונגרס ביצע שינויים בחוק, וביטל את האיסור על העבדות. כעבור שלוש שנים, החוקים נגד העבדות הוחלו על הטריטוריות.
השגריר בצרפת.
ג'פרסון נשלח בידי קונגרס הקונפדרציה להצטרף לבנג'מין פרנקלין ולג'ון אדמס כשגרירים באירופה לצורך חתימה על הסכמי סחר עם אנגליה, ספרד וצרפת. רבים האמינו שהתפקיד יסיח את דעתו ממותה של אשתו. הוא נסע לאירופה עם בתו הצעירה פטסי ועם שני משרתים, והגיע לפריז באוגוסט 1784.
ב-1786, התאהב ג'פרסון במוזיקאית איטלקייה-בריטית בת עשרים ושבע. היא חזרה לבריטניה אולם הם המשיכו להתכתב.
ג'פרסון הביא את ילדתו פולי לפריז ביוני 1787. הוא גם הביא חלק מעבדיו. לטענת בן של אחת משפחותיו, ג'פרסון ניהל עם שפחה שלו מערכת יחסים ואף הכניס אותה להריון. היא הסכימה לחזור לארצות הברית ולהיות הפילגש שלו לאחר שהבטיח לה שישחרר את ילדיה כשיגיעו לבגרות.
כשהיה בצרפת, התחבר עם המרקיז דה לה פאייט, הגיבור הצרפתי של המהפכה האמריקנית, והשתמש בהשפעתו כדי להשיג הסכמי סחר עם צרפת. לאחר פרוץ המהפכה הצרפתית, הרשה ג'פרסון ללה פאייט להיפגש בביתו עם רפובליקנים אחרים. הוא היה בפריז עם נפילת הבסטיליה, והתייעץ עם לה פאייט כשזה כתב את הצהרת זכויות האדם והאזרח. ג'פרסון גילה שמכתביו נפתחו בידי דוורים, ולכן החליט להמציא צופן משלו. הוא כתב את מכתביו החשובים בצופן למשך שארית חייו. בספטמבר 1789 עזב את פריז, בכוונה לחזור. אולם הנשיא ג'ורג' וושינגטון מינה אותו לתפקיד מזכיר המדינה הראשון, והכריח אותו להישאר במדינה. ג'פרסון תמך במהפכה הצרפתית אך התנגד לאלימות שלה.
מזכיר המדינה.
לאחר שחזר מצרפת, הסכים להצעתו של וושינגטון לשמש כמזכיר המדינה. ג'פרסון ציפה לחזור לצרפת, אולם וושינגטון התעקש שישב בקבינט של ארצות הברית. הבעיות החשובות היו החוב הלאומי ומיקומה הקבוע של הבירה. ג'פרסון התנגד לקיומו של חוב לאומי כלל-אמריקאי, והעדיף שכל מדינה תישא באחריות לגירעון שלה, בניגוד למזכיר האוצר אלכסנדר המילטון שדרש שליטה על חובות המדינות באמצעות הממשלה. להמילטון היו תוכניות לבסס את דירוג האשראי הלאומי ולהקים בנק מרכזי, אולם ג'פרסון התנגד לכך והוויכוחים כמעט הובילו את וושינגטון לפטרו. ג'פרסון עזב את הקבינט מרצונו. וושינגטון לא סלח לו ולא דיבר איתו שוב.
הנושא השני היה מיקומה הקבוע של הבירה. המילטון תמך בהקמת בירה קרוב למרכזי הסחר בצפון מזרח המדינה, ואילו וושינגטון, ג'פרסון ושאר הדרומיים רצו אותה בדרום. לאחר שהגיעו לפשרה, הוחלט להקים את הבירה על נהר הפוטומאק ובתמורה שהממשל הפדרלי ישלם את חובן של כל שלוש עשרה המדינות.
באביב 1791, נפשו ג'פרסון וג'יימס מדיסון בורמונט. ג'פרסון סבל ממיגרנות והריבים עם המילטון נמאסו עליו. במאי 1792, היה מודאג מהמאבקים הפוליטיים הרבים ושכנע את וושינגטון לרוץ לכהונה נוספת בתור נשיא כדי לאחד בין הפלגים. הוא דרש הקמת מפלגה שתגן על הדמוקרטיה מול הבנקים ובעלי ההון של מפלגת הפדרליסטים של אלכסנדר המילטון. כך נוצרה המפלגה הדמוקרטית-רפובליקנית. ג'פרסון, מדיסון ואחרים תמכו בזכויות המדינות, והתנגדו לריכוז הכוח בידי הממשלה, ואילו המילטון דרש ממשל מרכזי חזק.
ג'פרסון תמך בצרפת במלחמתה מול בריטניה. ג'פרסון ניסה לשכנע את הבריטים להכיר בהפרת חוזה פריז, לפנות מוצבים בטריטוריה הצפון-מערבית ולפצות את ארצות הברית על עבדים שהבריטים שחררו בסוף המלחמה. ג'פרסון התפטר מהקבינט בדצמבר 1793, מתוך רצון לפרוש מחיים ציבוריים, ואולי לחזק את מעמדו מבחוץ.
לאחר שממשל וושינגטון הגיע להסכם עם בריטניה, החליט ג'פרסון להתנגד להסכם מביתו. המילטון היה אדריכל ההסכם שנועד להקטין מתיחויות ולחזק את הסחר. ג'פרסון טען שההשפעה הבריטית תגדל ותפגע ברפובליקניזם. ההסכם עבר, אולם פג בתקופת נשיאותו של ג'פרסון, לאחר שהממשל החדש בחר שלא לחדש אותו ב-1805. ג'פרסון המשיך לתמוך בצרפת. במהלך שלטון הטרור סירב להתנער מהמהפכה בטענה שהיא הבסיס לרפובליקניזם באמריקה.
הבחירות של 1796 וסגן הנשיא.
במסע הבחירות של 1796, השיג ג'פרסון 68 אלקטורים לעומת 71 לג'ון אדמס הפדרליסט, ונבחר לתפקיד סגן הנשיא בגלל חוסר תקשורת בין האלקטורים הפדרליסטים. כנשיא הסנאט, היה יותר פסיבי מאדמס, קודמו בתפקיד. הוא הרשה לסנאט לדון בחופשיות והתערב בעניינים פרוצדורליים בלבד. ג'פרסון למד חוקים פרלמנטריים קודם לכן במשך ארבעים שנה, ולכן התאים לתפקיד. ב-1800 פרסם מדריך להתנהלות בסנאט.
ג'פרסון התייעץ עם השגריר הצרפתי באביב 1797, ותקף את אדמס, ועודד את צרפת לפלוש לאנגליה. צרפת סירבה להצעות השלום של אדמס, וג'פרסון ותומכיו לחצו כי יפרסם את התכתובת הדיפלומטית בעניין. באפריל 1798 דיווח הנשיא אדמס לקונגרס על הדרישות שהעלו הצרפתים, שכללו גם שוחד, אך נמנע מלנקוב בשמם האמיתי של הסוכנים הצרפתיים ובמקום זאת כינה אותם בקיצורים W, X, Y, ו-Z. כשנודעה פרשת "XYZ" שטף גל של פטריוטיות את הקונגרס והציבור האמריקני כאחד. צעד זה הוביל לפתיחת מלחמת צוללות בלתי רשמית בין צרפת וארצות הברית, ולתחילתה של המלחמה הבלתי רשמית בין ארצות הברית לצרפת.
הפדרליסטים בנו מחדש את הצבא במהלך כהונתו של אדמס, הנהיגו מיסים חדשים והעבירו את חוקי הזרים וההסתה. ג'פרסון טען שהחוקים נועדו לדכא את האופוזיציה ולא את האויבים, וטען שלא היו חוקתיים. הוא וג'יימס מדיסון כתבו באופן אנונימי החלטות של מדינות וירג'יניה וקנטקי, שהכריזו שלממשל הפדרלי אין זכות להפעיל כוחות שהמדינות לא נתנו לו. לטענת מדיסון, המדינות יכולות להגן על אזרחיהן מחוקים ממשלתיים שלא היו חוקתיים. ג'פרסון תמך בזכות המדינות לבטל חוקים ממשלתיים באופן כללי. ג'פרסון טען שללא עצירת החוקים, המדינות יבערו. לטענת היסטוריונים, ההחלטות של ג'פרסון ומדיסון הובילו למלחמת האזרחים האמריקנית. וושינגטון טען שההחלטות יפרקו את האיחוד.
ג'פרסון ומדיסון עברו לפילדלפיה והקימו עיתון מפלגתי ב-1791, בניסיון להתנגד לעיתונו המפלגתי של המילטון. העיתון ביקר את מדיניותו של המילטון בעזרת מאמרים אנונימיים של מדיסון.