W 1974 roku powrócił do Górnej Wolty i zaczął aktywnie uczestniczyć w spotkaniach różnych grup lewicowych i związków zawodowych. Spotkania odbywały się w tajemnicy, prawo bowiem zabraniało wszelkich zgromadzeń grup sprzeciwiających się rządowi. W tym samym roku wziął udział w wojnie granicznej z Mali, odwaga, jaką się wykazał w trakcie walk, przyniosła mu w kraju sławę bohatera. W 1976 roku został dowódcą centrum szkoleniowego armii. Dwa lata później zaprzyjaźnił się z kapitanem Blaise Compaoré, którego poznał w trakcie wizyty w Maroku. Przyjaciele utworzyli w centrum szkoleniowym tak zwaną republikę ludową – grupę która pomogła im zbudować silną pozycję w szeregach sił zbrojnych.
W 1980 roku w wyniku wojskowego puczu wszedł w skład rządu. 9 września 1981 roku został mianowany Sekretarzem Stanu ds. Informacji. Sankara coraz głośniej krytykował juntę Saye Zerbo. Oficer w proteście przeciwko zakazowi organizowania strajków i innym antyzwiązkowym ustawom (obejmowały zakaz działalności związkowej), w geście protestu zrezygnował z urzędu 12 kwietnia 1982 roku. Po dymisji w trybie natychmiastowym został internowany wraz z dwójką innych oficerów – Henri Zongo oraz Blaise Compaoré. Junta pułkownika Zerbo została obalona 7 listopada 1982 roku w wyniku kolejnego puczu. Nowym szefem państwa został komendant Jean-Baptiste Ouédraogo.