Nadat Boecharins bondgenoot Aleksej Rykov in december 1930 werd afgezet als voorzitter van de Raad van Volkscommissarissen (vergelijkbaar met de functie van premier), volgde Molotov hem op. In deze positie hield hij toezicht op de grote sociale revolutie van het regime van Stalin: de collectivisatie van de landbouw. Molotov voerde Stalins partijlijn uit door het gebruik van macht en propaganda om de tegenstand onder de boeren tegen de collectivisatie in de kiem te smoren. Hiertoe behoorde ook de deportatie van miljoenen "koelakken" (boeren met bezit) naar 'hervormingswerkkampen', waar een enorm aantal van hen stierf wegens uitputting door de zware en lange werkdagen. Hij ondertekende de "Wet van de Halmpjes" (waarmee graanlezen met de doodstraf of zware celstraf kon worden bestraft) en leidde persoonlijk de Buitengewone Commissie voor Graanbezorging in Oekraïne. Deze nam 4,2 miljoen ton graan in beslag bij de boeren, zodat een wijdverspreide hongersnood ontstond, die in Oekraïne de naam Holodomor heeft gekregen (en daar als genocide wordt bestempeld). Hedendaagse historici schatten dat vier tot zes miljoen mensen omkwamen, hetzij door verhongering of in werkkampen, hetzij bij de collectivisatie van de boerderijen. Molotov overzag ook de invoering van het eerste vijfjarenplan voor snelle industrialisatie.