W listopadzie 1944 Stettinius przejął od Cordella Hulla obowiązki sekretarza stanu, ze względu na zły stan zdrowia swojego dotychczasowego zwierzchnika.
Stettinius, jako prezes amerykańskiej delegacji na Konferencję Narodów Zjednoczonych w sprawie Organizacji Międzynarodowej, odegrał kluczową rolę w konstruowaniu Organizacji Narodów Zjednoczonych. Był obecny na ceremonii oficjalnego utworzenia ONZ 26 czerwca 1945. Jako sekretarz stanu, podjął decyzję o zwrocie znalezionej w Finlandii książki kodowej władzom ZSRR.
Po rozszyfrowaniu sporej ich części w ramach projektu Venona, uzyskano później informacje o licznych agentach służb specjalnych ZSRR, zajmujących wysokie pozycje w administracji amerykańskiej. Przyczyny postępowania Stettiniusa w tej kwestii nie zostały wyjaśnione. Wkrótce potem, Stettinius zrezygnował ze stanowiska sekretarza stanu, by objąć posadę pierwszego ambasadora USA przy ONZ. Zrzekł się tej posady w czerwcu 1946 roku, po czym zaciekle krytykował prezydenta Trumana za odmowę wykorzystania ONZ jako narzędzia do rozładowania napięć pomiędzy USA a ZSRR. Na preferowaną w USA opinię, że Zachód uratował świat od niewoli hitlerowskiej, twierdził: Naród amerykański nie powinien zapomnieć, że w 1942 r. był on niedaleko od katastrofy...