极短命的阿部信行内阁之后，米内能够出任内阁总理大臣，和昭和天皇是分不开的。当时，德国的铁蹄正在欧洲肆意的践踏着，而日本方面，不只是军部，舆论的导向也对日德意三国同盟充满期待。天皇对此忧心忡忡，于是决定任命海军中的卓识派米内光政为内阁总理大臣。不过作为米内个人，在天皇最初决定将大任交付米内光政的时候，米内光政并没有组阁的打算。不过，当天皇大声的向他宣布“朕，命爱卿组阁”的时候，米内光政再也无法拒绝了。“那感觉就像是被电击到一样。”
1940年1月16日，辞去军职的米内就任日本第37届首相（抗战爆发后第四任日本首相），期间纠集日军在中国战场中发动进攻南宁、包头、绥远、五原、宣城、信阳、冀东地区、确山、粤北地区、枣阳、襄阳、樊城、宜昌、晋西北地区、鲁中地区等大小八十五次战争，共屠杀中国军民三万九千多人，烧毁房屋五千八百多栋，抢走粮食十九万五千多斤。国民党军第33集团军总司令张自忠将军，就是在抵抗日军进攻枣阳的战役中于一九四〇年五月十六日上午壮烈殉国。日本海军在中国沿海地区进行过三十八次骚扰，共夺走轮船一百二十多艘、渔船五百六十艘，屠杀中国军民一千八百九十多人，抓走青壮年渔民五万六千多人，被送往日本进行强制劳动。
不过米内光政与陆军的关系一直都不好。组阁之后的米内一再受陆军掣肘，倒阁的种种活动从米内开始组阁的那一天就开始了。约半年后，陆军向内阁提出建立日德意三国同盟，这其实就是意味着和美英的决裂，米内不顾日本海军历次演习都是针对美国海军的事实，公然宣告：“日本海军不是为了对美开战而建立的，拿来对付德意海军还差不多。”陆军忍无可忍，支使畑俊六陆军大臣向内阁提出辞职，并不派人继任。由于海陆军大臣必须现役这个法西斯条款，米内光正内阁不得不在昭和15年（1940年）7月22日宣布总辞职。在事后的发布会中，米内公开表示，总辞职的原因就是因为陆军的种种阻挠。