1983年起，托马斯·桑卡拉因主张对私营经济实行国有化以及同利比亚建立更密切关系等与国家元首巴蒂斯特·韦德拉奥果政见分歧日渐加深。韦德拉奥果推行比较务实和温和的政策。而桑卡拉则更为激进，他利用其势力和影响，对内力主“彻底改造上沃尔特”，坚决打击传统势力、老政客和剥削者，走“进步”道路；对外强调摆脱新殖民主义控制，主动向一些“进步国家”靠拢，发展关系。随着时间的推移，两派政见的分歧和矛盾逐渐发展到水火不容的地步。1983年4月，桑卡拉未经韦德拉奥果同意邀请利比亚领导人奥马尔·穆阿迈尔·卡扎菲访问上沃尔特，使韦德拉奥果强烈不满。1983年5月17日，巴蒂斯特·韦德拉奥果将桑卡拉逮捕并解除其总理职务，结果激起桑派势力的强烈反弹，双方几乎兵戎相见。同年6月中旬，桑卡拉获释。

1983年8月4日，托马斯·桑卡拉发动军事政变，推翻了巴蒂斯特·韦德拉奥果政权，史称“八四”革命。8月4日深夜，前总理托马斯·桑卡拉上尉、救委会常设书记处总书记让-巴蒂斯特·布卡里·林加尼少校等人在精心策划后，领导驻波城伞兵突击队和瓦加杜古部分准军事部队发动武装政变，在瓦加杜古市中心、南郊，尤其在总统府、电台大楼、警察总部和一些街巷与忠于韦德拉奥果政权的部队展开激战。政变部队控制电台后，桑卡拉在电台宣布，推翻了韦德拉奥果“傀儡政权”，成立了以桑卡拉为首的全国革命委员会（国家最高权力机构），并控制了局势。全国革命委员会要求全国各地成立它的基层机构，以便参加伟大的爱国斗争和阻止国内外敌人危害上沃尔特人民。8月5日凌晨，敌对双方停火，政变部队控制了前国家元首韦德拉奥果的住所、总统府、警察总部、邮电总局及瓦加杜古合成团驻地。战斗造成13人死亡、约15人受伤（包括6名法国侨民）。

这一天适逢上沃尔特独立23周年，全国革命委员会宣布：按照惯例，全国放假一天，以使全国人民支持革命。瓦加杜古居民欢天喜地地庆祝节日。桑卡拉看望了被软禁在家中的让-巴蒂斯特·韦德拉奥果。桑卡拉说，韦德拉奥果呆在家中，由士兵“守卫”，为的是保证安全。他还说，新政权对“救委会的重要人物未采取任何特别措施”。他指示前政府各部秘书长在新政府组成以前，负责处理日常工作。

桑卡拉的政变得到了人民的广泛支持，首都瓦加杜古、第二大城市博博-迪乌拉索和瓦希古亚举行声势浩大的游行，游行者大多为青年，他们高呼“革命万岁！”“桑卡拉万岁！”“打倒帝国主义！”“桑卡拉！”等口号。1983年8月8日，桑卡拉解散了前政府，会见了各部文职人员，要求他们在新内阁组成之前继续工作，但不得作出重要决定。同日，桑卡拉的反对派——武装部队原总参谋长、国防委员会总书记约里安·加布里埃尔·索梅上校和德杜古伞兵突击队司令菲德尔·盖布雷少校被逮捕，后软禁在瓦加杜古城一所别墅内。9日深夜，新政权挫败了一起未遂反政变，被软禁的加布里埃尔·索梅和菲德尔·盖布雷企图逃跑被卫兵击毙。

事实上，新政权尚未完全、牢固地控制全国军队和局势。托马斯·桑卡拉下令改编武装部队，成立“全国武装部队最高指挥部”，取代“全国武装部队总参谋部”，任命让·巴蒂斯特·布卡里·林加尼为负责人，组建第四、第五兵团，分别驻防在法达恩古马和与加纳共同边界附近，还把共和国卫队改编为“革命国民卫队”，及时任命了新领导人，掌握和控制了军队。桑卡拉表示，上沃尔特要调整同前宗主国法国的关系；上沃尔特不接受利比亚领导人卡扎菲的支配。他透露，将改组武装部队，清洗其中的“反革命分子”。

桑卡拉称这起政变是一场“人民民主革命”，是在上沃尔特建设一个自由、独立、公正和繁荣社会的开端。因而这起军事政变亦称“八四”革命。“八四”革命有着深刻的国内双重背景，其中托马斯·桑卡拉与巴蒂斯特·韦德拉奥果两派发展到势不两立是酿成政变的直接原因。1983年“五一七”事件后，利比亚驻上沃尔特外交官鼓动桑卡拉的支持者到加纳接受利比亚的援助。利比亚在乍得设立“上沃尔特革命之声”电台，号召上沃尔特人民推翻韦德拉奥果政权。政变成功后，桑卡拉立即给利比亚领导人卡扎菲打电话通报有关情况，受到卡扎菲的称赞。卡扎菲主动派飞机向桑卡拉政变当局运送武器装备。

1983年“八四”革命后，托马斯·桑卡拉任全国革命委员会主席和国家元首，1983年8月24日，新政府成立，桑卡拉任政府首脑兼内政和安全部长。新政府成员中有15名文官、5名军人，平均年龄约30岁。1984年8月3日，桑卡拉宣布将殖民时期沿用至今的原国名“上沃尔特”改为“布基纳法索”（在莫西语中“布基纳法索”有“正直”之意，而迪尤拉语的“法索”意为“祖国”，故“布基纳法索”可译为“正人君子之国”），布基纳法索民主人民共和国宣告成立。同年9月改组政府后任全国革命委员会主席、共和国总统、国家元首和政府首脑。1985年当选为西非国家经济共同体首脑会议主席。

桑卡拉执政后明确表示：布基纳法索进行的是一场“人民民主革命”，“这场革命视资产阶级为对象，以工农大众为动力”。他把“为人民服务”定为全国革命委员会的座右铭。桑卡拉说：“我们在布基纳法索的革命是对整个人类历史上革命经验的一次总结。我们希望成为世界革命的继承者，为第三世界人民的解放而斗争。我们从美国革命中吸取经验教训，法国大革命告诉我们人的权利，伟大的十月革命带来了无产阶级的胜利并使实现正义的巴黎公社的梦想成为可能。”

桑卡拉认为自己的革命思想的源泉来自古巴的菲德尔·卡斯特罗和切·格瓦拉和加纳革命领袖杰里·约翰·罗林斯的样板。他大力倡导“人民民主革命”，革命思想的核心是反帝国主义。

桑卡拉被称为“使人无法平静下来的”总统，思想较激进，执政后一心想把布基纳法索改造成一个无剥削且公正的新社会。由于他缺少经济建设和治国方略的知识与经验，且缺乏技术和管理手段，搬用某些国家（主要是古巴、利比亚和加纳）的革命理论和经验，忽视本国国情和具体实际，不断强化国家对工商业的控制，片面强调自力更生，限制进口，强制施行“勒紧裤腰带”的经济政策，废除部长津贴，削减工人、职员人数和他们的工资，大搞摊派，强迫人们捐款。在他执政的4年中，这些缩小“城乡差别”、铲除“特权”的偏激政策和做法损伤了一些人（主要是社会精英和权贵阶层）的利益，造成全国工农业生产每况愈下，货架上商品奇缺，物价飞涨，城镇居民的实际购买力下降30%，许多技术和管理人才流向国外，广大乡民怨声载道。

在政治领域，桑卡拉在“人民民主革命”的旗帜下，“视资产阶级为打击对象。以工农大众为动力”，视前政府官员为“革命的阻力”，进行清洗，逐渐疏远与他风雨同舟、功勋卓著的战友和同事们，对曾合作共事的非洲独立党加以排斥和打击，1984年“五二七”未遂政变后，把政府中的数名独立党部长统统革职。由于政治肃清的打击面过宽，桑卡拉在最高领导层几乎成了光杆司令。

外交上，桑卡拉以“进步国家”的元首自居，随意攻击邻国，由于称科特迪瓦、马里、多哥、尼日尔等国为“落后”的、甚至是“反动”的国家，使这些邻国疏远了布基纳法索。桑卡拉非常重视同非洲个别国家，如同利比亚、加纳的关系，布基纳法索在西非越来越势单力薄，空前孤立。

桑卡拉在成为国家最高领导人后，与昔日密友布莱斯·孔波雷逐渐产生了政治分歧和矛盾，他们之间的争斗趋于公开、尖锐。桑卡拉的一系列偏激政策使国家陷入困境，引起孔波雷等一些高级官员的反对。尤其是桑卡拉亦步亦趋，独揽大权，在重大问题上，往往不经集体商议，尤其不听取孔波雷等人的意见，时常由他个人作出重要决定，成了独断专行的化身。“八四”革命四周年前夕，桑卡拉提出解散全国左派组织，成立由他领导的布基纳法索统一政党的主张被孔波雷等人否决。这次失败对桑卡拉在政治上是个沉重的打击。

1987年8月，布基纳法索革命进入休整阶段，桑卡拉着手调整内外政策。8月至9月，他与孔波雷及其他军政官员的分歧和矛盾完全公开化、尖锐化了。在此期间，瓦加杜古街上出现了攻击孔波雷等人的传单和“谁反对桑卡拉，谁就是反革命”的标语。与此同时，桑卡拉清楚地意识到，孔波雷身兼国务部长和驻瓦加杜古地区第五军区司令，负责首都瓦加杜古的安全卫戍；孔波雷的密友让-巴蒂斯特·林加尼官居国务部长和武装部队总司令，军权操在孔、林二人手中。这正是桑卡拉的劣势所在。为了使自己立于不败之地，迫在眉睫的是抓紧组建一支忠于自己的武装力量。10月14日，桑卡拉抓住孔波雷未参加内阁会议之机，急忙在会议上宣布成立“干预部队”，负责“监督和安全”。这支部队由领土管理整治部长农格马·欧内斯特·韦德拉奥果（桑卡拉的亲信、文官）领导，归总统卫队长指挥。其实在本次会议之前，这支部队就已装备了武器。欧内斯特在内阁会议上更是单刀直入地说：“长期以来，我们一直对付敌人，现在该对付我们的朋友了。”这番颇有威胁性的话隐含着杀机。

孔波雷、林加尼与经济发展部长亨利·宗戈发动军事政变，桑卡拉在政变交火中身亡，年仅38岁。他的遗孀马丽亚姆·桑卡拉带着孩子流亡国外。而孔波雷在夺权后，几乎全盘推翻了桑卡拉的既定国策，重新加入国际货币基金组织和世界银行以获取援助资金恢复“破败”的经济。

关于托马斯·桑卡拉的真正死因一直存在争议。孔波雷将桑卡拉的被杀描述为“意外事故”，但是这种说法没有多少人相信。马丽亚姆·桑卡拉一直在呼吁对孔波雷进行调查，直到2006年4月，联合国人权委员会仍在对布基纳法索政府不能正确解释桑卡拉的死因表示谴责。2007年10月15日，桑卡拉遇害二十周年之际，在布基纳法索、马里、塞内加尔、尼日尔、坦桑尼亚、布隆迪、法国、加拿大和美国等地均举行了纪念仪式和活动。

2021年10月，因涉嫌谋杀桑卡拉等罪名，孔波雷被起诉。经过6个月的审判后，于2022年4月6日被判处30年徒刑，其另外12名同谋也被判刑。2022年7月26日，布基纳法索政府发言人代为朗读了布基纳法索前总统布莱斯·孔波雷的道歉声明，声明中说：“请布基纳法索人民原谅我在任职期间的所作所为，尤其是向我的兄弟和朋友、托马斯·桑卡拉的家人道歉。”。

桑卡拉把国名从法国殖民时代的“上沃尔特”改为“布基纳法索”，象征国家的自主和重生。在当地的摩西语和迪乌拉语中，新名称的意思为“正人君子之国”。

政府限制和削弱部落酋长的许多传统权力，如他们有权接受贡赋献纳和为他们进行义务劳动。桑卡拉仿效古巴模式，建立各级保卫革命委员会，形成群众性政治军事组织。桑卡拉政府还发起了一种以“为全国人民服务”的征兵形式。两者都是制衡军队的力量。

桑卡拉回避外援，推动削减恶债、土地和矿产资源国有化，避免国际货币基金组织和世界银行的干涉和渗透。经济政策上侧重于消除饥荒、粮食自给和土地改革。

桑卡拉的国内政策主要集中在反腐败斗争、推广植树造林、消除饥荒、发展教育和医疗卫生事业，提出发展“独立、自主”的民族经济方针。桑卡拉经常发表演讲，抨击许多不合理现象，并愤慨地指出：“官员的孩子稍患感冒便可免费去巴黎治病，而农民却连一瓶最普通的药都买不起”，“这种现象再也不能下去了！”桑卡拉下令成立各级人民革命法庭，严惩贪官污吏，没收前政权头面人物的财产归人民所有；桑卡拉最早提出了构筑“绿色长城”的设想，即在撒哈拉沙漠南面建立一个横跨非洲东西海岸的绿化带，以抑制萨赫勒地区日益严重的荒漠化。1983年至1987年执政期间，他带领国家与沙漠化不懈抗争。仅在他任职的第一年，就种下了1000万棵树。非洲联盟于2005年7月决定采纳这个“绿色长城”项目。

桑卡拉还主张进行土地改革，通过重新分配封建地主的土地给农民以平均地权，中止农村人头税和土地租金，增加粮食产量，小麦产量从每公顷1700公斤增至3800公斤，基本实现粮食自给；提高农产品收购价格，严格控制生活必需品和医药价格。他还制定了一个雄心勃勃的公路和铁路建设计划，以“配合国家一体化”。

桑卡拉重视教育。他将开展全国性扫盲运动作为教育工作的首要位置，促进公共健康，为250万儿童免费接种预防脑膜炎、黄热病和麻疹的疫苗；桑卡拉还提出在地方每一个村子建一个诊所和建设超过350所社区学校。

桑卡拉还倡导妇女解放和发展民族文化。他说：“革命和妇女解放是一体的。我们不认为妇女的解放是出于一种慈善行为或人类的同情心使然。这是革命胜利的一个基本要件，女性撑起了天空的另一半。”提高妇女地位是桑卡拉的一项明确目标，他的政府机构中有大量的女性公职人员，这在西非是前所未有的进步政策。政府明令禁止女性割礼，废除强迫婚姻和一夫多妻制，鼓励妇女外出工作和接受教育。

桑卡拉也积极促进人口控制，并号召丈夫去市场和做饭，以体验妇女生活的辛劳。此外，桑卡拉还是第一位任命妇女担任内阁重要职务的非洲领导人，并积极招募女性入伍参军。

桑卡拉政府也是非洲国家政府中第一个公开承认艾滋病疫情是非洲的严重威胁。

在对外政策方面，托马斯·桑卡拉奉行不结盟和睦邻友好的政策，强烈反对帝国主义、殖民主义和强权政治，反对外部势力插手非洲事务，主张加强区域性合作和建立国际经济新秩序，但他坚决拒绝带有束缚性的国际援助，他说：“他们喂你，就会控制你。”桑卡拉在非洲统一组织等国际讲坛上大声疾呼反对新殖民主义通过贸易和金融对西非的渗透。他呼吁非洲国家结成统一战线拒绝偿还外债。他认为，穷人和被剥削者没有还钱给富人和受剥削的义务。

1984年11月5日至9日，桑卡拉正式访问中国，分别会见中华人民共和国主席李先念（5日）、国务院总理赵紫阳（6日）及中共中央顾问委员会主任邓小平（7日）。8日，中布两国在北京签署贷款协定和经济技术合作协定书。

桑卡拉出任总统时不到34岁，去世时还不到38岁，他短暂的政治生涯留下了令人敬佩的事迹。他坚决反对帝国主义，坚定不移地支持非洲和世界各地的民族解放运动，满怀希望寻求社会主义国家的支持。他决心要在布基纳法索进行民族民主革命，但20世纪80年代中非洲相当困难的经济形势使他不得不首先为摆脱经济困难而奋斗。

桑卡拉为国家的极端贫穷落后和人民的疾苦焦虑，为布基纳法索的发展做出了贡献。他生活清贫、为政清廉，因而被人们称颂为世界上最清廉的总统。这是对他短暂而充满战斗激情的一生的最高评价。在左翼的非洲独立运动拥护者看来，他是“对抗西方强权”的标杆。曾与桑卡拉共事过的人评价其为“一位尽心尽力、对任何细节一丝不苟的总统”。

托马斯·桑卡拉的生活简朴，作风廉洁。他卖掉政府车队的奔驰汽车，改用雷诺5型汽车（当时在布基纳法索最廉价的汽车）作为部长们的公务用车。他削减高级公职人员（包括他自己）的薪水，并禁止使用政府司机和头等舱机票。就任国家元首后，桑卡拉首先带头放弃了国家领导人每月35万西非法郎的巨额职务津贴。桑卡拉把在瓦加杜古的负责军需供应的一家国营超市转变为向全民开放（国内第一家超市），他还勒令高级官员捐献一个月的工资用于公共项目。他拒绝在自己的办公室里使用空调，理由是这样的奢侈无法普及所有人而只仅供少数布基纳法索人享受。作为总统，桑卡拉把自己的薪水降低为每个月450美元，比部长的工资还低（部长月薪为15~25万非洲法郎，约合485~809美元）。

1987年初，布基纳法索的电台和电视台播发的一则消息轰动了全国，也使所有在那里的外国人震惊和感动。这就是根据布基纳法索全国反腐化委员会的规定，电台和电视台向全国转播了政府官员向该委员会申报财产的实况。桑卡拉是第一个申报人，他带头向全国人民公开了其全部财产。根据申报，桑卡拉的月薪为13.8万非洲法郎（当时汇率：1美元约合309非洲法郎），他夫人的月薪为19.2万非洲法郎。桑卡拉夫妇靠工资生活，他俩负担着年迈双亲和15个孩子（两个是他们的亲生子女，其余均为收养者）的生活费用。他的家产计有：一所以分期付款方式购买的普通住宅，距今尚欠67万非洲法郎；一辆1978年购置的日产小汽车和两辆比赛用的自行车（桑卡拉喜爱体育运动）；两台带有录相设备的电视机，其中一台放在办公室；一个电冰箱和一个坏了的冰柜。桑卡拉还如实申报了别人赠送的4辆不同型号的小汽车和累计85.2亿非洲法郎（约合1.04亿元人民币）的赠款，并把这些钱物全部上交国家。

桑卡拉出行经常自己骑一辆摩托车，并组建了一支完全由女军人组成的摩托化护卫队。他要求公务员穿传统的中山装，原材料为布基纳法索织物并由布基纳法索工匠缝制。记者问他为什么不在公共场所悬挂自己的画像，这是其他非洲国家领导人的通例。桑卡拉回答说：“有700万托马斯·桑卡拉。”

桑卡拉一年到头都穿着一身豹式伪装军服，腰间别着两只左轮手枪。桑卡拉不嗜烟酒，酷爱读书，又是一位长跑能手。他喜爱音乐，当他担任总统后，还手持吉他，登台弹唱。桑卡拉多才多艺，布基纳法索的国歌《一夜间》就是他谱写的，他还亲自设计了国旗和国徽。

桑卡拉精力充沛，每天工作在15小时左右。他还擅长演说，每次演讲总以“为祖国、毋宁死，我们必胜！”作为结束语。

桑卡拉素有“非洲的切·格瓦拉”之称。因为他与格瓦拉在风格和实质两个方面都有相似之处。在风格上，桑卡拉模仿格瓦拉的金星贝雷帽和迷彩军装，拒绝物质享受并在上台后领取最低薪俸。两人都认为自己是菲德尔·卡斯特罗的盟友，1987年桑卡拉访问了古巴。还有众所周知的是他们都酷爱骑摩托车，并经常以此来发挥他们的个人魅力，激励他们的追随者。在意识形态上，格瓦拉和桑卡拉都是马克思主义革命家，奉行通过武装革命反对帝国主义和垄断资本主义，在联合国谴责经济新殖民主义，把实行农业土地改革和扫盲运动作为经济-社会变革的关键。

托马斯·桑卡拉主要著作有《托马斯·桑卡拉论：布基纳法索革命，1983—1987》《我们是世界革命的继承者：布基纳法索革命1983-87演讲集》及《妇女解放和非洲自由的斗争》。同时，他还是布基纳法索1984年起使用的国歌《一夜间》（法语：Une Seule Nuit）的作者。

托马斯·桑卡拉曾荣获古巴“何塞·马蒂”勋章（1984年）。

2023年5月，布基纳法索政府正式宣布桑卡拉为“国家英雄”。

桑卡拉遇害后，与12名同伴的尸体被埋葬在布基纳法索首都瓦加杜古市郊的达格诺昂公墓。2015年5月25日，其遗体被挖出，用于法律诉讼，之后被埋葬在其被暗杀地点的纪念碑中。

2023年10月15日，在桑卡拉逝世36周年纪念活动中，布基纳法索过渡总统易卜拉欣·特拉奥雷宣布将瓦加杜古的“戴高乐大道”更名为“桑卡拉大道”。