Жизненная необходимость разрешения атомной, ракетной и других оборонных проблем породила особые отношения руководства страны с крупными советскими учеными и наукой в целом. Колоссальные успехи советской науки, которые в ряде приоритетных направлений даже превосходили мировой уровень, еще больше подняли престиж советских ученых в обществе.
В мае 1955 г. совместным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об улучшении дела изучения и внедрения в народное хозяйство опыта и достижений передовой отечественной и зарубежной науки и техники», а также в решениях Пленума ЦК, прошедшего в июле 1955 г., были определены основные приоритеты развития страны в условиях начала научно-технической революции, выделены огромные финансовые и материальные ресурсы, которые увеличились почти в 9 раз. Кроме того, в 1955 г. для координации научно-производственных связей был реформирован старый ГКНТ СССР и создан Государственный комитет по новой технике во главе с выдающим организатором советского производства, заместителем председателя Совета Министров СССР генерал-полковником инженерно-технической службы В.А. Малышевым.
В эти годы крупные научные открытия были сделаны в сфере точных наук. В частности, в 1957 г. в физике высоких и сверхвысоких энергий сотрудники Объединенного института ядерных исследований под руководством академика В.И. Векслера открыли самый мощный ускоритель элементарных частиц — знаменитый синхрофазотрон. В 1958―1959 гг. под руководством директора троицкого Института земного магнетизма профессора Н.В. Пушкова были открыты и исследованы внешний радиационный пояс Земли и магнитное поле Земли и Луны. В 1959―1962 г. под руководством трех выдающихся советских математиков — академиков Н.М. Крылова, В.С. Кулебакина и Н.Н. Боголюбова были созданы первые советские системы автоматического регулирования непрерывных производственных процессов и т.д.
В те же годы ряд выдающихся научных открытий, сделанных советскими учеными во второй половине 1930-х — начале 1960-х гг., получили всеобщее признание во всем научном мире и были удостоены Нобелевских премий в области точных и естественных наук. В частности, в 1956 г. премия по химии была присуждена академику Н.Н. Семенову за разработку теории цепных реакций; в 1958 г. премия по физике была присуждена академикам П.А. Черенкову, И.М. Франку и И.Е. Тамму за комплексное исследование и теоретическое обоснование явлений люминесценции; в 1961 г. премия по физике была присуждена академику Л.Д. Ландау за создание новаторской теории конденсированных сред, в частности, жидкого гелия; в 1964 г. премию по физике присудили академикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию первого молекулярного генератора — лазера.
В эти годы происходит существенное количественное и территориальное расширение сети научно-исследовательских институтов страны. Только в системе Академии наук СССР в 1956―1962 гг. было создано более 80 крупных научных институтов, в том числе Институт теплофизики, Институт полупроводников, Институт катализа, Институт электронных управляющих машин, Институт вычислительной математики и математической геофизики, Институт физики высоких давлений, Институт ядерных исследований, Институт автоматики и электрометрии, Институт лазерной физики, Институт электрохимии, Институт радиационной биологии, Институт экономики и организации промышленного производства и другие. Тогда же талантом и трудом академиков М.А. Лаврентьева, С.Л. Соболева и других выдающихся советских ученых было создано знаменитое Сибирское отделение АН СССР, занявшее ведущие позиции в области прикладной математики и физики, возникли крупные научные и образовательные центры в Новосибирске, Красноярске, Томске, Хабаровске, Южно-Сахалинске и других городах.
Как и в предыдущий период, приоритет в научных разработках подчинялся интересам ВПК, на который работали многие выдающиеся ученые и конструкторы, в том числе академики И.В. Курчатов, С.П. Королев, М.В. Келдыш, Ю.Б. Харитон, Я.Б. Зельдович, А.Д. Сахаров, А.Н. Туполев, С.В. Ильюшин, В.П. Глушко, Н.А. Пилюгин, В.Н. Челомей, М.К. Янгель, П.Д. Грушин, М.Т. Калашников и многие другие. Крупнейшими достижениями советской науки и техники, которые пуповиной были связаны с развитием ВПК, стали создание первого турбореактивного пассажирского лайнера ТУ-104 (1955); испытание межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 (1957); запуск искусственного спутника Земли (1957); спуск на воду первого атомного ледокола «Ленин» (1957); ходовые испытания первой атомной подводной лодки (1958); первый полет человека в космос (1961); запуск в строй Белоярской и Нововоронежской АЭС (1963) и многое другое.
К середине 1950-х г. на фоне бурного развития и крупных успехов в мировой генетике и молекулярной биологии, в частности, революционного открытия структуры и принципа репликации ДНК, был подорван существовавший долгие годы монополизм академика Т.Д. Лысенко в биологической науке. В июле 1955 г. видные советские ученые, в том числе академики П.Л. Капица, Л.Д. Ландау, И.Е. Тамм, П.Н. Константинов, В.С. Немчинов, Е.С. Варга и другие подписали знаменитое «письмо трехсот», которое, несмотря на его неприятие самим Н.С. Хрущевым, дало мощный импульс возрождению советской генетики, молекулярной биологии и бионики, где крупные научные открытия были сделаны многими учеными, в том числе академиками Н.П. Дубининым, А.Р. Жебраком, Б.Л. Астауровым и другими. Хотя следует признать, что ответная критика в адрес Д.Т. Лысенко носила столь же разнузданный, а зачастую необъективный характер, как и его борьба со своими оппонентами в послевоенный период.