ทักษิณ เข้ารับตำแหน่งนายกรัฐมนตรีสมัยที่สอง จากการเลือกตั้งเมื่อวันที่ 6 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2548 ด้วยคะแนนเสียงอันเป็นประวัติศาสตร์กว่า 19 ล้านเสียง[28][29] โดยได้ตำแหน่ง ส.ส.ในสภา จำนวน 376 ที่นั่ง ขณะที่พรรคประชาธิปัตย์ ซึ่งเป็นคู่แข่งสำคัญ กลับได้เพียง 96 ที่นั่ง โดยคะแนนเสียงหลักของพรรคไทยรักไทยมาจากภาคเหนือ ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ และกรุงเทพมหานคร โดยในกรุงเทพมหานคร พรรคไทยรักไทยได้ถึง 32 ที่นั่ง จาก 37 เขตเลือกตั้ง จากนโยบายเมกะโปรเจกต์ สร้างรถไฟฟ้า 7 สาย และการช่วยเหลือผู้ประสบภัยสึนามิ[ต้องการอ้างอิง]

รัฐบาลไทยรักไทยในสมัยที่สองนี้เป็นรัฐบาลชุดแรกในประวัติศาสตร์ ภายใต้ระบอบประชาธิปไตยอันมีพระมหากษัตริย์ทรงเป็นประมุข ที่มาจากพรรคการเมืองเดียว ซึ่งได้รับการเลือกตั้งเกินกึ่งหนึ่งของสภาผู้แทนราษฎร[30] ผลการเลือกตั้งในครั้งนี้ ทำให้การเมืองไทย มีแนวโน้มที่จะพัฒนาเข้าสู่ระบบสองพรรค[31] ในการดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรีสมัยที่ 2 ทักษิณ ได้ประสบปัญหาทางด้านเศรษฐกิจ และการชุมนุมขับไล่นายกรัฐมนตรีของแกนนำพันธมิตรเพื่อประชาธิปไตย และมีการขยายการชุมนุมให้มากขึ้น และอีกทั่งการคอร์รัปชั่นและเอื้อประโยชน์ให้แก่พวกพ้อง ตามที่กลุ่มผู้ไม่พอใจได้กล่าวมา จนกระทั่งพ.ต.ท. ทักษิณ ตัดสินใจประกาศยุบสภาผู้แทนราษฎร เมื่อวันที่ 24 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2549 และกำหนดให้มีการเลือกตั้งใหม่

วันที่ 4 เมษายน เวลา 20.30 น. ทักษิณ แถลงการณ์ทางโทรทัศน์รวมการเฉพาะกิจแห่งประเทศไทยว่า"ผมขออนุญาตพี่น้องประชาชนที่ดูละครอยู่นะครับ แม้พรรคไทยรักไทยจะชนะการเลือกตั้ง 2 เมษายน แต่ตนจะไม่ขอรับตำแหน่งนายกรัฐมนตรี เพื่อเป็นการสร้างความสมานฉันท์ และปรองดองในชาติ แต่ยังจำเป็นจะต้องรักษาการในตำแหน่งนายกรัฐมนตรี จนกว่าการสรรหานายกรัฐมนตรีคนใหม่จะแล้วเสร็จ" แต่เมื่อยังคงมีกระแสต่อต้านจากพรรคฝ่ายค้าน และกลุ่มพันธมิตรฯ การที่ พ.ต.ท.ทักษิณ ยังคงปฏิบัติหน้าที่ต่อไป ดังนั้น ในวันที่ 6 เมษายน ทักษิณ ได้ลาราชการ และแต่งตั้งให้ พล.ต.อ.ชิดชัย วรรณสถิตย์ รองนายกรัฐมนตรี ปฏิบัติราชการแทน

ในระหว่างลาราชการ ทักษิณ ได้เดินทางเยือน และพบปะหารือ เป็นการส่วนตัว กับผู้นำหลายประเทศ ได้แก่ อังกฤษ ฝรั่งเศส รัสเซีย ญี่ปุ่น จีน และ ฮ่องกง ตั้งแต่ วันที่ 24 ถึง 30 เมษายน

อย่างไรก็ตาม คณะตุลาการรัฐธรรมนูญ ที่คณะรัฐประหารแต่งตั้ง ได้มีคำพิพากษาให้ การเลือกตั้ง ในวันที่ 2 เมษายน เป็นโฆฆะ หลังจากนั้นศาลฎีกาได้ตัดสินจำคุกและตัดสิทธิทางการเมืองคณะกรรมการการเลือกตั้ง 3 คน คือ พล.ต.อ.วาสนา เพิ่มลาภ นายปริญญา นาคฉัตรีย์ และนายวีระชัย แนวบุญเนียร เป็นเวลา 10 ปี ทำให้ทั้งสามคนจึงพ้นจากตำแหน่งกรรมการการเลือกตั้ง

ภายหลังศาลรัฐธรรมนูญตัดสินให้การเลือกตั้งเป็นโมฆะ ทักษิณ ก็เดินทางกลับมาทำหน้าที่รักษาการนายกรัฐมนตรีในวันที่ 23 พฤษภาคม และได้มีพระบรมราชโองการ ประกาศให้วันที่ 15 ตุลาคม พ.ศ. 2549 เป็นวันเลือกตั้งใหม่ แต่ก่อนจะมีการเลือกตั้งใหม่ ก็เกิดการก่อรัฐประหาร เมื่อวันที่ 19 กันยายน พ.ศ. 2549 โดยคณะปฏิรูปการปกครองในระบอบประชาธิปไตยอันมีพระมหากษัตริย์ทรงเป็นประมุข