Après la libération de son pays, il redevient ministre des Affaires étrangères en octobre 1945. C'est en cette qualité qu'il préside la Délégation norvégienne à la première session de l'Assemblée générale des Nations unies à Londres en 1946.
Le , l'Assemblée générale décide de prolonger de 3 ans le mandat de Trygve Lie. Mais, le , il démissionne sous la pression soviétique du fait de son attitude pendant la guerre de Corée. Le suicide de son conseiller juridique, à la suite d'investigations auprès du personnel de siège de l'ONU à New York, influence également sa décision.
C'est le que le diplomate suédois Dag Hammarskjöld prend sa succession.
Rentré en Norvège, Trygve Lie y occupe différents postes ministériels et mène plusieurs missions diplomatiques.
Lie est ministre de la Justice lors de l'exil norvégien de Léon Trotsky. À ce titre, c'est lui qui autorise l'enfermement sans jugement du révolutionnaire et son expulsion vers le Mexique.
