พล.ร.ต.ถวัลย์ ธำรงนาวาสวัสดิ์ ดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรีต่อจาก นายปรีดี พนมยงค์ เมื่อวันที่ 23 สิงหาคม พ.ศ. 2489 ในช่วงที่เข้ารับตำแหน่งนั้น ประเทศอยู่ในภาวะหลังสงคราม เศรษฐกิจของประเทศกำลังทรุดหนัก พล.ร.ต.ถวัลย์ ธำรงนาวาสวัสดิ์ ได้แก้ไขปัญหาด้านเศรษฐกิจด้วยการจัดตั้ง องค์การสรรพาหาร ขึ้น โดยการซื้อของแพงมาขายถูกให้แก่ประชาชนเพื่อตรึงราคาสินค้าไม่ให้สูง และเรียกเก็บธนบัตรที่ฝ่ายสัมพันธมิตรนำเข้ามาใช้จ่ายจากประชาชนด้วยการออกธนบัตรใหม่ให้แลก รวมทั้งนำเอาทองคำซึ่งเป็นทุนสำรองของชาติออกขายแก่ประชาชน และจากเหตุการณ์นี้ทางรัฐบาลและรวมทั้งตัวนายกรัฐมนตรีถูกกล่าวหาว่ามีส่วนรู้เห็นในการส่งข้าวออกขายนอกประเทศ โดยนำข้าวชั้นดีไปขายเหลือแต่เพียงข้าวหักสำหรับเลี้ยงสัตว์ไว้ให้ประชาชนบริโภคเองในประเทศ รวมถึงการคอร์รัปชั่นประการต่าง ๆ ในรัฐบาล ทำให้ฝ่ายค้านโดย พรรคประชาธิปัตย์เปิดอภิปรายไม่ไว้วางใจยาวนานถึง 7 วัน 7 คืน ติดต่อกัน ซึ่งเป็นการอภิปรายครั้งแรกด้วยที่มีการถ่ายทอดเสียงทางวิทยุ แม้จะได้รับเสียงส่วนมากไว้วางใจ แต่กระแสกดดันที่รุนแรงทำให้ท่านต้องลาออกในวันรุ่งขึ้น และได้รับเลือกกลับมาเป็นนายกรัฐมนตรีต่อทันที [10]

ซึ่งสถานการณ์บ้านเมืองในเวลานั้น มีความแตกแยกกันเองในหมู่นักการเมือง และประชาชนค่อนข้างมากหลัง เหตุการณ์สวรรคตของรัชกาลที่ 8 และเหตุอื่น ๆ บทบาทของท่านในช่วงนี้ คือ การเจรจาทำความเข้าใจกันของทั้งสองฝ่าย เพื่อประสานรอยร้าว จนได้รับฉายาจากสื่อมวลชนว่า "นายกฯลิ้นทอง" แต่สถานการณ์ก็ไม่ดีขึ้นจนนำไปสู่การรัฐประหารในวันที่ 8 พฤศจิกายน พ.ศ. 2490[11]

หลังรัฐประหารแล้ว ท่านต้องเดินทางออกนอกประเทศไปลี้ภัยอยู่ที่ฮ่องกงระยะหนึ่ง แล้วจึงกลับประเทศไทย และได้รับการแต่งตั้งเป็นสมาชิกสภาร่างรัฐธรรมนูญ หลังจากนั้นใช้ชีวิตอย่างสงบเงียบต่อมา พล.ร.ต.ถวัลย์ ธำรงนาวาสวัสดิ์ ถึงแก่อสัญกรรมเมื่อวันที่ 3 ธันวาคม พ.ศ. 2531 ณ โรงพยาบาลพระมงกุฎเกล้า รวมอายุได้ 87 ปี นับเป็นทหารเรือคนแรกและคนเดียวจนถึงปัจจุบัน ที่ได้ดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรี