พลเอก ชาติชาย ชุณหะวัณ เข้ารับตำแหน่ง นายกรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 4 สิงหาคม พ.ศ. 2531[18] และเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงกลาโหมอีกตำแหน่งหนึ่ง[19] มีการปรับคณะรัฐมนตรี 1 ครั้งเมื่อวันที่ 9 ธันวาคม พ.ศ. 2533 ได้ดำรงตำแหน่งในฐานะนายกรัฐมนตรี เป็นระยะเวลารวมประมาณ 2 ปีครึ่ง

ผลงานที่โดดเด่นมากของรัฐบาล พลเอกชาติชาย ได้แก่ การดำเนินนโยบายต่างประเทศกับประเทศเพื่อนบ้าน โดยเฉพาะใน กลุ่มอินโดจีน เช่น การประสานงานให้มีการเจรจาร่วม ระหว่างเขมร 4 ฝ่าย เพื่อยุติการสู้รบ และสนับสนุน ให้มีการจัดตั้งรัฐบาลประเทศกัมพูชาภายใต้การนำของ สมเด็จสีหนุขึ้น นโยบายต่างประเทศของ รัฐบาลพลเอกชาติชาย มีชื่อเรียกที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายคือ นโยบาย "เปลี่ยนสนามรบเป็นสนามการค้า"

ทางด้านเศรษฐกิจ ได้อนุมัติโครงการเพื่อให้เอกชนเข้ามาลงทุนพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานในหลายโครงการ เช่น โครงการโทรศัพท์พื้นฐาน 3 ล้านเลขหมาย โครงการพัฒนาพื้นที่ชายฝั่งทะเลภาคใต้ โครงการรถไฟฟ้าขนส่งมวลชน ในเขตกรุงเทพมหานคร และโครงการทางด่วนยกระดับ ตัวเลขความเติบโตทางเศรษฐกิจของประเทศไทยในช่วงนั้น ร้อนแรงถึงกว่า 10 เปอร์เซนต์ต่อปี กระทั่งมีการคาดหมายโดยทั่วไปว่าประเทศไทยจะเป็น "เสือตัวที่ 5" ของเอเชีย (Fifth Asian Tiger) ต่อจาก "4 เสือเศรษฐกิจของเอเชีย" คือ เกาหลีใต้ ฮ่องกง สิงคโปร์ และไต้หวัน [ต้องการอ้างอิง]

พลเอกชาติชาย ชุณหะวัณ มีชื่อที่เรียกเป็นที่รู้จักทั่วไปว่า "น้าชาติ" มีคำพูดติดปากเมื่อให้สัมภาษณ์สื่อมวลชนว่า "No Problem" หมายถึง "ไม่มีปัญหา" จนเป็นที่จดจำได้ทั่วไป ซึ่งศิลปินเพลง แอ๊ด คาราบาว ได้นำไปประพันธ์เป็นเพลงล้อเลียนการเมืองชื่อ "โนพลอมแพลม"

การบริหารงานของรัฐบาล พลเอกชาติชาย ชุณหะวัน เริ่มประสบปัญหาในช่วงท้ายของวาระการดำรงตำแหน่ง เมื่อถูกโจมตีว่ามีการทุจริต หาผลประโยชน์ในโครงการลงทุนของรัฐ จนมีคำกล่าวโจมตีการทำงานของคณะรัฐมนตรี รัฐบาลพลเอกชาติชายว่าเป็น "บุฟเฟ่ต์คาบิเนต" ขณะที่การทำงานของสภาผู้แทนราษฎร ที่มีสัดส่วน ส.ส. ฝ่ายรัฐบาล เป็นจำนวนมากก็ถูกโจมตีว่ามีสภาพเป็น "เผด็จการรัฐสภา"

พลเอกชาติชาย ชุณหะวัณ บริหารประเทศจนถึงวันที่ 23 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2534 ก็ถูกยึดอำนาจการปกครองโดย คณะรักษาความสงบเรียบร้อยแห่งชาติ (รสช.) ภายใต้การนำของ พล.อ. สุนทร คงสมพงษ์ พล.อ. สุจินดา คราประยูร พล.อ.อ. เกษตร โรจนนิล และพล.อ. อิสระพงศ์ หนุนภักดี ที่ต่อมานำไปสู่เหตุการณ์ พฤษภาทมิฬ ในปี พ.ศ. 2535