Родителите му са Димитър Тренчев и Парашкева Досева, от Банско, преселила се с родителите си в Ковачевци. Има 7 братя и сестри. През 1902 Георги Димитров става член на БРСДП. След разцеплението на партията на русенския конгрес на 6 юли 1903, Димитров се ориентира към тесните социалисти около Димитър Благоев и през 1909, на 21 юли, става член на ЦК на партията. Участва в партийния конгрес на 28 май 1919, когато БРСДП (т.с) се преименува на БКП (т.с.) и минава на Коминтерновски позиции.
Георги Димитров се включва в дейността на Коминтерна и свързани с него организации и подкрепя болшевизацията на БКП. През 1923 заедно с Васил Коларов оглавява инспирираното от Коминтерна Септемврийско въстание. След неговия разгром бяга в Югославия, а оттам - в Австрия.
На 9 март 1933, заедно с няколко други комунисти, Георги Димитров е обвинен от национал-социалистическото правителство на Нацистка Германия в организирането на подпалването на Райхстага, извършено от психически невменяемия бивш член на холандската компартия Маринус Ван дер Любе, но използвано като претекст от нацистите за жестока разправа с опозиционните партии. Димитров води своята защита на организирания процес в Лайпциг, в която разобличава фашизма като идеология.
Димитров, Танев и Попов са осъдени на 9 месеца затвор заради това, че пребивават незаконно в Германия с фалшиви паспорти с цел конспирация, но са оправдани по обвиненията в палеж и опит за сваляне на правителството.
След Лайпциг, Георги Димитров се превръща в символ за международното комунистическо движение. Заема мястото на Васил Коларов като ръководител на Коминтерна (1935-1943) и на БРП(к). В Москва ръководи Международния отдел на ЦК на Всесъюзната комунистическа партия (болшевики) и е депутат в съветския парламент (1937-1945).
Георги Димитров умира през 1949 в санаториума „Барвиха“ край Москва, където е лекуван четири месеца. Тялото му е изложено в мавзолей в София, а след първите демократични промени е погребано в Централните софийски гробища през 1990. Мавзолеят е разрушен на 21 август 1999 г.