В период, когда партия, решая задачи дальнейшего подъёма сельского хозяйства, развернула в широких масштабах освоение целинных и залежных земель, ЦК КПСС направляет Л. И. Брежнева в Казахстан, где его избирают вторым (февраль 1954), а затем первым (август 1955) секретарём ЦК КП Казахстана.
На 20-м съезде КПСС Л. И. Брежнев избран членом ЦК КПСС, на Пленуме ЦК КПСС (февраль 1956) — кандидатом в члены Президиума и секретарём ЦК КПСС, одновременно с 1958 — зам. председателя Бюро ЦК КПСС по РСФСР. С июня 1957 — член Президиума ЦК КПСС. По поручению ЦК занимался вопросами развития тяжёлой промышленности и строительства, оснащения вооружённых сил страны новейшей боевой техникой, развития космонавтики.
На 5-й сессии Верховного Совета СССР 5-го созыва (май 1960) Л. И. Брежнев избран председателем Президиума Верховного Совета СССР, находился на этом посту до июня 1964, одновременно с июня 1963 — секретарь ЦК КПСС. Он проводит большую работу по совершенствованию государственного аппарата, развитию социалистической демократии и укреплению законности, осуществлению ленинской внешней политики.
Историческое место в жизни партии и страны занимает Октябрьский (1964) пленум ЦК КПСС, в работе которого Л. И. Брежнев принимает активное участие. На Октябрьском пленуме ЦК, выразившем непреклонную волю партии строго соблюдать и развивать ленинские нормы партийной жизни и принципы руководства, он был избран первым секретарём ЦК КПСС. В ноябре 1964 утвержден председателем Бюро ЦК КПСС по РСФСР.
В марте 1965 на Пленуме ЦК КПСС Л. И. Брежнев выступил с докладом, в котором была изложена по существу новая экономическая политика партии в деревне, сформулированы важнейшие направления развития сельскохозяйственного производства. На Майском (1966) пленуме ЦК КПСС он выступил с докладом, в котором была выдвинута обширная программа мелиоративных работ как необходимого условия ускоренного развития сельского хозяйства страны.
На 23-м съезде КПСС (март — апрель 1966) Л. И. Брежнев выступил с Отчётным докладом ЦК, в котором дан глубокий марксистско-ленинский анализ современной международной обстановки, итогов развития страны, определены главные задачи пятилетнего плана развития народного хозяйства СССР на 1966—1970 и основные принципы советской внешней политики. В докладе и решениях съезда получили дальнейшее развитие многие важнейшие вопросы марксистско-ленинской теории и практической деятельности КПСС. 23-й съезд избрал Л. И. Брежнева членом ЦК КПСС, а состоявшийся после съезда Пленум ЦК — Генеральным секретарём ЦК КПСС.