Був заарештований нацистами за звинуваченням у причетності до підпалу Рейхстагу 27 лютого 1933 року, проте на Лейпцизькому процесі (вересень-грудень 1933) був виправданий, оскільки мав алібі. Димитров добре володів німецькою мовою і його виступи на процесі широко застосовувались в антифашистській пропаганді, а самому Димитрову було надано радянське громадянство, й СРСР зажадав його видачі.