Был арестован нацистами по обвинению в причастности к поджогу Рейхстага 27 февраля 1933 года, однако на Лейпцигском процессе в сентябре-декабре 1933 был оправдан, так как доказал алиби. В ходе судебного процесса Димитров выстроил защиту таким образом, что из обвиняемого превратился в обвинителя нацистов. Речь Димитрова на Лейпцигском процессе в дальнейшем послужила образцом для выступлений коммунистов перед судом во многих странах: Тойво Антикайнена, которого называли «Северный Димитров», в Финляндии; Никоса Белояниса в Греции, Брама Фишера в Южной Африке. Димитров хорошо владел немецким языком и его выступления на процессе были широко использованы в антинацистской пропаганде, а самому Димитрову и его соратникам Попову и Таневу было предоставлено советское гражданство, и СССР потребовал его выдачи.