W 1988 był jednym ze współzałożycieli organizacji „Kłub za podkrepa na głasnostta i preustrojstwoto” (nawiązującej nazwą do radzieckiej pieriestrojki), wraz z nią działał na rzecz odsunięcia Todora Żiwkowa od władzy. W grudniu 1989 został przewodniczącym nowo powstałego Związku Sił Demokratycznych, zrzeszającego ugrupowania i ruchy opozycyjne. W 1990 został posłem do konstytuanty. Przewodniczył reprezentacji SDS w trakcie rozmów tzw. okrągłego stołu.
1 sierpnia 1990 parlament powołał go na urząd prezydenta Bułgarii. W 1992 kandydował w pierwszych bezpośrednich wyborach prezydenckich w parze z Błagą Dimitrową jako kandydatką na wiceprezydenta. W pierwszej turze uzyskali około 44,7% głosów, zwyciężając w drugiej turze głosowania z poparciem 52,9% głosujących. W 1993 doszło do konfliktu prezydenta z macierzystym ugrupowaniem na tle wspierania przez niego rządu Lubena Berowa. Z tego samego powodu w 1993 do dymisji podała się wiceprezydent Błaga Dimitrowa. W 1996 nie uzyskał nominacji ze strony SDS i nie ubiegał się o reelekcję. Pięcioletnią kadencję zakończył 22 stycznia 1997.
W 1997 wspierane przez niego ugrupowanie liberalne poniosło porażkę w wyborach parlamentarnych. Żelu Żelew założył własną fundację, działał też w Międzynarodówce Liberalnej.