Пейн был избран в Конвент от четырех департаментов, но, поскольку он мог быть представителем лишь от одного, он выбрал департамент Па-де-Кале.
В Конвенте, который приветствовал Пейна, появившегося там 19 сентября, шла, как и во всей стране, ожесточенная борьба. Революционные силы, представленные якобинцами во главе с Робеспьером, выступали против консервативных элементов торгово-промышленной буржуазии — жирондистов, препятствовавших дальнейшему углублению революции. Большинство в Конвенте составляло так называемое болото — депутаты от средних слоев буржуазии и зажиточного крестьянства.
В Конвенте Пейн немедленно окунулся в кипучую и напряженную работу. Вместе со всеми депутатами он на первом заседании Конвента 21 сентября приветствовал провозглашение Франции республикой.
В октябре Пейн был назначен членом комитета по выработке новой конституции Франции, в который вошли также Кондорсе, Дантон, Петион, Барер и др. Среди проектов конституции был и составленный на сорока пяти страницах проект Пейна, к сожалению не сохранившийся. Он говорил Дантону, что французская конституция должна побудить европейские народы последовать примеру Франции (см. 43, стр. 176).
Важным вопросом, который стоял перед Конвентом, было решение судьбы свергнутого короля Людовика XVI. Горячие дебаты по этому вопросу шли с ноября 1792 по январь 1793 г. Документами было установлено, что Людовик XVI изменил Франции, оказавшись в связи с контрреволюционерами-эмигрантами и интервентами. Якобинцы во главе с Робеспьером требовали смертной казни. Пейн выступил против казни короля. Не зная французского языка и плохо ориентируясь в происходящей политической борьбе, Пейн по существу солидаризировался с жирондистами, которые не прочь были прикрыть свои контрреволюционные планы его революционным именем. Пейн, опасаясь интервенции Англии и помня, что Людовик XVI оказал помощь Америке, говорил, что не следует мстить королю, а надо использовать суд над ним, чтобы показать, что существует международный заговор против революции, и это послужит стимулом для подъема революции в других странах. Пейн не понял, что американская и французская революции происходили в различных условиях, что французы оказались перед лицом всей реакционной Европы, которая уже вела против них войну. В январе 1793 г. решением большинства Конвента Людовик XVI был приговорен к смертной казни.
Якобинцы после прихода к власти в результате революции 31 мая—2 июня 1793 г. были вынуждены ввиду оказываемого им сопротивления прибегнуть к революционному террору. Пейн, исходя из абстрактного гуманизма, осуждал их за это.
Конечно, часть якобинцев с подозрительностью относилась к Пейну из-за его связей с жирондистами. Положение Пейна сильно ухудшилось после того, как 25 декабря Конвент принял декрет о том, что «ни один иностранец не может быть представителем французского народа». 28 декабря 1793 г. на основании закона о враждебных иностранцах (имевшего в виду англичан) Пейн был арестован. Главную роль в его аресте сыграли интриги американского посла в Париже Гувернера Морриса. Он принадлежал в Америке к партии федералистов, был ставленником торгово-промышленной и финансовой буржуазии и давнишним идейным противником Пейна, к которому питал антипатию. Особенное озлобление Морриса вызвала деятельность Пейна, направленная на установление контакта между якобинским правительством и правительством США в целях создания военного союза против Англии. Именно Моррис содействовал тому, чтобы осталось без ответа Конвента ходатайство группы проживавших в Париже американцев (Барло и др.) об освобождении Пейна как американского гражданина.
В люксембургской тюрьме Пейн пробыл больше десяти месяцев, и только случайность спасла его от гильотины. Однажды, когда намечалась очередная группа заключенных для казни, страж ошибочно написал мелом номер на двери камеры Пейна с внутренней стороны. Когда дверь оказалась закрытой, пометка, означавшая, что заключенный должен быть казнен, не была видна. Так смерть снова миновала Пейна.
Перед своим арестом в 1793 г. Пейн закончил первую часть «Века разума» — важнейшего сочинения, посвященного вопросам философии и критике религии. Не надеясь, что останется в живых, Пейн сумел передать рукопись Барло, который и сохранил ее. В ноябре 1794 г. Пейн благодаря усилиям нового американского посла в Париже, Монро, был освобожден, поселился у него в доме, где и закончил вторую часть своего большого труда, начатую им еще в тюрьме.