Premier maire socialiste de Montluçon, sa ville natale, Marx Dormoy entre en 1936 dans le gouvernement du Front populaire. En charge du ministère de l'Intérieur, il réussit à déjouer le complot de la Cagoule visant à renverser les institutions républicaines. Il est élu sénateur de l'Allier en 1938 et rejoint le groupe SFIO.
Après une lutte acharnée contre la capitulation, il se rend à Vichy le 4 juillet 1940 et participe à l'ensemble des conférences préliminaires à la réunion de l'Assemblée nationale. Il propose une résolution de soutien à la République, qui est rejetée par Pierre Laval.
Dans une dernière intervention avant le vote décisif, il s'inquiète de savoir qui « décidera de la paix ou de la guerre » en cas de révision constitutionnelle.
Le 10 juillet 1940, il fait partie des « quatre-vingts » parlementaires qui refusent de voter les pleins pouvoirs au maréchal Pétain.
Le 20 septembre 1940, en raison de son action dans la lutte contre le fascisme et de son opposition marquée au nouveau régime, il est suspendu de ses fonctions de maire. Prenant acte de cette décision, il réunit une dernière fois son conseil municipal : «Je quitterai cet hôtel de ville quand la notification officielle m'en sera faite, la tête haute et la conscience tranquille, avec la certitude d'avoir accompli, en toutes occasions, mon devoir. En ce moment, je ne veux penser qu'à la France meurtrie, envahie. J'ai foi en la délivrance de mon pays. J'y aspire de toute ma raison, de toute mon âme, de tout mon cœur : c'est là ma seule pensée. »
Le 25 septembre, il est arrêté à son domicile et incarcéré à Pellevoisin (Indre) dans un ancien hôtel transformé en prison. En compagnie d'autres détenus politiques, il est transféré à Vals-les-Bains (Ardèche) le 31 décembre. Soumis au secret et à l'isolement, Marx Dormoy supporte difficilement les conditions de son internement. Dans un courrier du 7 janvier 1941, il demande sa mise en liberté ou à défaut le bénéfice du régime politique de détention applicable à toute personne détenue en raison de ses opinions. Le 20 mars 1941, il est placé en résidence surveillée à Montélimar et prend pension à l'hôtel « Le relais de l'empereur » où il bénéficie d'une liberté toute relative.
Marx Dormoy est tué dans la nuit du 25 au 26 juillet 1941, par une bombe à retardement placée sous son lit par d'anciens cagoulards. Afin d'empêcher toute manifestation de soutien, le gouvernement de Vichy impose une inhumation discrète et censure l'annonce de cet assassinat dans la presse.
Des funérailles solennelles seront organisées en son honneur à Montluçon le 9 décembre 1945. Marx Dormoy sera cité à l'ordre de la Nation en 1946 et médaillé de la Résistance française avec rosette en 1947.