Tras su regreso al país, Duarte realizó una intensa vida social que le ligó a importantes sectores de la pequeña burguesía urbana. Se hace masón y es testigo de matrimonios, apadrina bautizos y asiste a reuniones de carácter cultural.
Tras una discreta labor de proselitismo, fundó el 16 de julio de 1838, la Sociedad Secreta La Trinitaria junto a Juan Isidro Pérez, Pedro Alejandro Pina, Jacinto de la Concha, Félix María Ruiz, José María Serra, Benito González, Felipe Alfau y Juan Nepomuceno Ravelo.
Los trinitarios hacían su trabajo político a partir de una estructura celular clandestina. Los iniciados hacían el juramento de luchar por la independencia de la República Dominicana bajo el lema "Dios, Patria y Libertad". Para sus actividades públicas constituyeron otras dos entidades: La Sociedad Filantrópica y La Sociedad Dramática, destinadas a realizar una importante labor de propaganda mediante la representación de piezas teatrales. Duarte y algunos de sus compañeros también ingresaron en las compañías dominicanas del ejército haitiano para adquirir conocimientos militares.
Para ese momento el régimen de Boyer se había transformado de un gobierno liberal y progresista a una dictadura con graves problemas económicos y resistencia interna en su territorio original. Así, se une al movimiento revolucionario haitiano denominado La Reforma que derrocó a Boyer en febrero de 1843, colocando a Charles Herard en la presidencia de Haití.
Duarte encabezó dicho movimiento en la ciudad de Santo Domingo, desempeñando un papel decisivo que lo convierte en el líder político principal de los dominicanos. Pero delatadas las actividades independentistas de los trinitarios, el nuevo presidente Herard encabeza una ocupación militar de las provincias dominicanas con el objetivo de desarticular al liderazgo separatista.
Matías Ramón Mella y los hermanos Ramón y Pedro Santana son apresados y conducidos para Haití, mientras que Francisco del Rosario Sánchez se esconde y hace propalar la especie de su fallecimiento.
Cuando Santana, en connivencia con el gobernador español de la isla de Cuba, declara disuelta a la República Dominicana y proclama la Anexión de la República Dominicana a España en 1861, Duarte reaparece en Caracas para organizar junto a su hermano Vicente Celestino Duarte una pequeña expedición que desembarca en Montecristi (1864) para ponerse a las órdenes del gobierno restaurador en armas de Santiago de los Caballeros. Este gobierno decidió nombrarlo su representante en el exterior con la misión de obtener apoyo de Venezuela y las demás naciones americanas en la lucha militar contra España
Duarte sale de nuevo a Venezuela en 1864, dedicándose a su misión hasta que lo relevan de la misma. Lograda la Restauración de la República (1865), Duarte se quedó con su familia en la ciudad de Caracas, subsistiendo de una fábrica de velas hasta su fallecimiento el 15 de julio de 1876.
Sus restos fueron trasladados a suelo dominicano en 1884, por el gobierno de Ulises Heureaux (Lilís), que lo había declarado Padre de la Patria junto a Sánchez y a Mella.