Karierę polityczną zapoczątkował pod koniec lat 30. W 1938 został wybrany do Zwyczajnego Zgromadzenia Narodowego 24. kadencji. W listopadzie tego samego roku wszedł w skład trzeciego gabinetu rządowego Kjoseiwanowa obejmując urząd ministra rolnictwa i własności państwa. Tę samą funkcję pełnił również w czwartym rządzie Kjoseiwanowa oraz w pierwszym rządzie Fiłowa.
1 czerwca 1944, po dymisji gabinetu Bożiłowa, został premierem Carstwa Bułgarii i tymczasowym (1-12 czerwca) ministrem spraw zagranicznych i wyznań wiary. Przewidując rychłą klęskę koalicji hitlerowskiej, do której Bułgaria należała od 1941, prowadził politykę lawirowania między Niemcami i Związkiem Radzieckim, a także zapoczątkował negocjacje na temat rozejmu z Wielką Brytanią i Stanami Zjednoczonymi. Jednocześnie prowadził rozmowy z przedstawicielami rosnącego w siłę komunistycznego Frontu Ojczyźnianego, który nie krył prosowieckich sympatii i dążył do zbrojnego przejęcia władzy w kraju. Próbując zapobiec wkroczeniu Armii Czerwonej, 26 sierpnia 1944 Bagrianow ogłosił neutralność Carstwa Bułgarii, zaś 1 września podał się do dymisji. Jego działania zakończyły się fiaskiem. 5 września ZSRR wypowiedział Bułgarii wojnę, zaś 9 września w kraju doszło do wojskowego przewrotu zorganizowanego przez Front Ojczyźniany.