Toome ble medlem av Det øverste sovjet i Den estiske sosialistiske sovjetrepublikk i 1972, og i november 1988 ble han sovjetrepublikkens regjeringssjef. På samme tid vedtok Det øverste sovjet at de ville hevde større estisk selvråderett. Toome medvirket til at sovjetlederen Mikhail Gorbatsjov erstattet Karl Vaino med den reforminnstilte Vaino Väljas som førstesekretær i Estlands kommunistiske parti.