Den 27. august 2009 ble Fykse Tveit valgt til generalsekretær i Kirkens Verdensråd, verdens største økumeniske organisasjon med hovedkontor i Genève, Sveits. Kirkens Verdensråd omfatter 350 kirker med en samlet medlemsmasse på omtrent en halv milliard mennesker i 110 land verden over. Han ble valgt for en periode på fem år, og han tiltrådte stillingen ved årsskiftet til 2010. I juli 2014 ble han gjenvalgt for en ny fem-års periode. I egenskap av sitt virke som generalsekretær, hadde Fykse Tveit blant annet samtaler med pave Benedikt XVI i Vatikanet i desember 2010, og vert for Pave Frans sitt besøk til Kirkenes Verdensråd i Genève i juni 2017.