Em setembro de 1945, Kim chegou no porto de Wonsan e em dezembro do mesmo ano foi empossado líder do Partido Comunista Coreano. Com apoio incondicional da União Soviética, ele se tornou o líder inquestionável da Coreia do Norte em fevereiro de 1946. Para consolidar seu poder, em 1948, ele criou o Exército Popular da Coreia. Ele deu o controle das forças armadas a colegas que ele conhecera nas suas atividades de guerrilha contra o Japão na China. Seu objetivo era criar um exército completamente mergulhado na ideologia comunista, leal a liderança do partido e a ele próprio. Os soviéticos começaram a fornecer enormes quantidades de equipamento (tanques, caças, canhões e armas pequenas) para as forças de Kim, enviando conselheiros e oficiais para ajudar no treinamento também.
Apesar de planos por parte das Nações Unidas para tentar fazer eleições gerais em toda a península coreana, nem o Sul ou o Norte tinham interesse em se submeter um ao outro. A República Popular da Coreia foi estabelecida oficialmente no norte em 9 de setembro de 1948. No sul foi proclamada a República da Coreia em maio daquele mesmo ano. Em outubro, Moscovo reconheceu Kim como o líder de direito de toda a península. Em 1949, é fundado oficialmente o Partido dos Trabalhadores da Coreia, com Kim como seu líder. Naquela altura, o país já estava sob firme controle de Kim Il-sung. Opositores eram caçados e presos (muitos eram condenados a morte). O Estado passou a exercer influência sobre cada aspeto da vida dos seus cidadãos. Neste período começou também o culto à personalidade, que se tornaria notório na Coreia do Norte. Kim passou a ser chamado então por seus seguidores de "o Grande Líder".
Diversas fontes afirmam que a decisão de invadir a Coreia do Sul teria partido do próprio Kim e não da União Soviética. A inteligência russa havia confirmado que os Estados Unidos não interfeririam na península e que o programa de corte de gastos pós-segunda guerra ajudou a firmar este ponto. Kim teria então afirmado para a República Popular da China que Estaline tinha dado a sua autorização para a invasão.
O começo da guerra na Coreia pareceu favorável ao norte. Assim, no fim de junho de 1950, os exércitos do norte já haviam conquistado a capital do sul. Frente a estes eventos, o presidente americano, Harry S. Truman, autorizou as suas forças armadas a intervirem no conflito, sob a bandeira da ONU. Os Estados Unidos começaram então a enviar enormes quantidades de equipamentos e soldados para o Sul, ao mesmo tempo que lançavam ataques aéreos e navais contra o norte. Em setembro, os norte coreanos foram derrotadas pelos americanos na batalha do perímetro de Pusan, revertendo o quadro de vitórias dos comunistas até então. No mesmo mês, as forças aliadas desembarcaram em Inchon e derrotaram as tropas de Kim por lá, infligindo a estes severas perdas. Neste momento, os soviéticos aconselharam Kim Il-sung a recuar, mas ele recusou. Em outubro de 1950, os chineses enviaram 200 mil soldados para ajudar o norte. Naquela altura, os americanos e sul coreanos já haviam avançado para além da fronteira entre os dois países. A interferência chinesa acabou levando a guerra a um impasse sangrento de três anos que resultou na morte de mais de 1 milhão de coreanos. Segundo fontes chinesas e russas, Kim havia tentado acertar uma trégua de alguma forma durante o conflito já que, após a intervenção da ONU e dos Estados Unidos, as suas hipóteses de vitória haviam declinado. Ele também se preocupava com a influência chinesa no seu país (que possuíam milhares de soldados na região). Em julho de 1953 é assinado um armistício que terminou a guerra e estabeleceu uma zona desmilitarizada entre as Coreias.
