Georgi Dimitrov s'installa à Vienne à partir de la fin janvier 1927, ville abritant la direction du Comité Central du Parti Communiste de Bulgarie (étroit). Il se rendit en 1928 en URSS, pour assister au IVe congrès du Profintern (l'Internationale Syndicale Rouge) et au VIe Congrès du Komintern, où il fut le délégué bulgare, parlant à ce titre le 6 août 1928.

Il participa aussi à la VIIIe conférence de la Fédération balkanique, dont il devint le secrétaire politique du bureau exécutif. A l'arrière-plan, on retrouve le projet, développé dans les années 1910, de République Fédérative balkanique, devant réunir la Bulgarie, la Grèce, la Roumanie et la Serbie, avec comme perspective de s'ouvrir à l’Albanie, le Monténégro et la Turquie.

Au début de l'année 1929, le Comité Central se déplaça à Berlin et Georgi Dimitrov le suivit, se voyant alors également responsable du Komintern pour l'Europe occidentale.

Georgi Dimitrov commença alors un travail de titan, ayant la responsabilité de connaître l'évolution de pas moins de 25 Partis Communistes, à quoi s'ajoute la Ligue anti-impérialiste, le Secours Ouvrier, le Profintern, l'Internationale Communiste de la Jeunesse, l'Internationale Sportive Rouge, la revue de l'Internationale Communiste Inprekor.

Il participa à l'organisation du congrès antifasciste international de 1929, du congrès paysan européen de 1930, du VIIe congrès du Secours Ouvrier ; il est membre également du Comité Mondial de Lutte contre la Guerre.

Georgi Dimitrov mena alors une activité clandestine, dans le cadre d'une organisation stricte, mais un événement allait entièrement changer la situation.

Marinus van der Lubbe, un jeune maçon hollandais ultra-gauchiste, se rendit en Allemagne après la nomination d'Adolf Hitler au poste de chancelier. Déçu de voir ce qui lui semblait être une incompréhensible passivité, il tenta à la fin du mois de février 1933 de fomenter des révoltes, d'incendier le bureau d'aide de Neukölln à Berlin, l'ancien château impérial, la mairie de la Neue Königstrasse, l'hôtel Imperial Palace.

Puis, il pénétra dans le restaurant du parlement allemand, le Reichstag, utilisa ses propres habits et des linges de cuisine pour provoquer un incendie.

Les nazis promulguèrent en réponse un décret suspendant la Constitution, interdisant la presse de gauche en Prusse, amenant des centaines d'arrestations, dont celle de Georgi Dimitrov.

Il fut arrêté dans le restaurant Bayernhof, son passeport étant suisse et au nom de l'écrivain Rudolf Hediger, avant d'être jeté dans une cellule de la prison de Moabit, sous le numéro 8085, et dut conserver pendant cinq mois ses menottes, nuit et jour, du 4 avril au 31 août 1933.

À l'origine, l'enquête fut menée par le commissaire de la police de Berlin, du 9 au 28 mars. Finalement, c'est la Cour du nouveau régime qui s'empara de l'affaire, ouvrant les débats le 21 septembre 1933 à Leipzig.

Initialement, la radio diffusa les premières audiences de la cour, mais cela fut rapidement interrompu après les premières déclarations et réponses aux questions de Georgi Dimitrov, soit au bout de deux jours.

Le discours tenu le 23 septembre eut pourtant un retentissement historique, étant relayé par l'opinion antifasciste internationale, dans une situation d'une grande complexité.

L'affaire avait tout de suite eu une dimension retentissante, les nazis prétendant que l'incendie du Reichstag relevait d'un complot communiste pour appeler au soulèvement, tandis que l'opinion antifasciste diffusait en Europe un Livre Brun sur l´incendie du Reichstag et la terreur hitlérienne.

Pour cette raison furent présents 42 correspondants de presse allemands et 82 correspondants de presse étrangers. Aucun correspondant des presses communistes, socialistes ou de gauche ne furent cependant acceptés, à part de la presse soviétique lors de la seconde partie du procès, après une mesure de rétorsion contre la presse allemande en URSS.

Le procès commença tout de suite, du côté nazi, avec la dénonciation du livre brun, mais comme Georgi Dimitrov maintint une ligne antifasciste et dénonçait le régime, il y avait une tribune pour un discours faisant tourner l'ensemble au fiasco.

Le procès se déroula alors sans que Georgi Dimitrov ni les autres accusés bulgares n'aient accès aux documents, Georgi Dimitrov se faisant de manière régulière expulser du prétoire, comme les 6 et 11 octobre, alors que le procès fut temporairement continué à Berlin, avant de revenir un mois après à Berlin, Georgi Dimitrov étant placé dans une cage.

L'enquête du tribunal occupa pas moins de 51 séances au procès, mais les faux témoignages nazis étaient tellement mal ficelés, les contradictions des faux témoins si mises en évident par Georgi Dimitrov, que l'ensemble tourna au fiasco.

Le procès fut littéralement retourné par Georgi Dimitrov, au point que lors de sa plaidoirie, à la 56^e séance, le président l'interrompit pas moins de trente fois.

Le 23 décembre, ce fut par conséquent l'acquittement, dans un contexte de tension extrême. Georgi Dimitrov fut toutefois immédiatement arrêté alors qu'il voulait tenir un discours en réaction au verdict où il était affirmé que le Parti Communiste d'Allemagne serait responsable de l'incendie du Reichstag.

La situation sembla d'autant plus bloquée que le gouvernement bulgare ne reconnut pas la nationalité bulgare de Georgi Dimitrov. Le problème ne fut résolu qu'avec l'obtention par Georgi Dimitrov, le 15 février 1934, de la nationalité soviétique. Les nazis l'expulsèrent de ce fait en secret vers l'URSS, le 27 février.