Po wyzwoleniu Francji pełnił urząd burmistrza Aubervilliers zostając następnie ponownie deputowanym do francuskiego parlamentu z departamentu Sekwana. W koalicyjnym Rządzie Tymczasowym otrzymał tekę ministra lotnictwa, a następnie ministra uzbrojenia, zaś w okresie IV Republiki przez krótki okres wchodził w skład rządu jako minister odbudowy i urbanistyki, do 1955 pozostając deputowanym. W 1952 stanął po stronie wykluczonego z partii André Marty'ego, przez co stracił wszystkie stanowiska w PCF. Nie został jednak wówczas z niej wyrzucony, do czego doszło dopiero w 1970, kiedy potępił oficjalne stanowisko partii wobec Praskiej Wiosny. W 1975 przeszedł na emeryturę; od końca wojny zajmował się także spisywaniem wspomnień z okresu okupacji. Po śmierci Charles Tillon został pochowany na wojskowym cmentarzu w Rennes.