Статус правительства, а вместе с ним и Косыгина, поднимается. В 1960 году Косыгина – к тому времени уже Председателя Госплана СССР – делают первым заместителем Хрущева. Если Хрущев был харизматическим лидером правительства, то Косыгин с этого времени является его техническим руководителем. Он держит в руках все нити многообразного советского хозяйства и со скромностью, но и не без чувства собственного достоинства, называет себя «главным инженером Советского Союза», то есть – главным инженером одной из двух мировых сверхдержав. Именно Косыгин, как правило, председательствует на заседаниях Президиума Совета министров. Высочайший статус Косыгина в тогдашнем советском руководстве подкреплялся и его возвращением в Политбюро (Президиум) ЦК КПСС. Теперь Косыгин стал полноправным членом партийного ареопага, занимавшегося, конечно, и общегосударственными вопросами. В те годы журналисты не составляли рейтингов влиятельности политиков, но Косыгин, безусловно, уже входил в руководящую пятерку, а по вопросам экономики и вовсе был первым среди равных. Осенью 1964 года ЦК КПСС принял отставку Н.С. Хрущева с его постов. Отметим легитимную форму этого процесса, стремление к коллективному руководству страной. Л.И. Брежнев стал вождем партии, Н.В. Подгорный – Председателем Президиума Верховного Совета, а Алексей Николаевич – главой правительства, Председателем Совета министров.
Косыгин не участвовал в «заговоре против Хрущева», в длительной подготовке революционного пленума. Когда в августе Шелепин и Семичастный рассказали ему об антихрущевских планах, Алексей Николаевич сперва осведомился о настроениях в КГБ. Узнав, что площадь Дзержинского выступает против Хрущева, полностью поддержал идею отставки Хрущева и согласился возглавить правительство.
На расширенном заседании Президиума перед пленумом ЦК, которое проходило 13—14 октября 1964 года, секретарь Компартии Грузии генерал Мжаванадзе упомянул Косыгина в ряду незаслуженно обиженных Хрущевым. Действительно, в сентябре, в отсутствии Косыгина, Хрущев грубо и необоснованно критиковал своего заместителя за недочеты по сбору хлопка. Почти все выступавшие непреклонно критиковали Хрущева. Оговорки позволил себе только молодой председатель ВЦСПС В.В. Гришин и старый соратник Хрущева Микоян. Микоян предложил вариант, который мог показаться компромиссным: «Неправильное отсечь. Хрущева разгрузить, должен оставаться у руководства партии». То есть оставить Хрущева на посту первого секретаря партии или – если воспринимать формулировку Микояна расплывчато – по крайней мере, оставить Никиту Сергеевича в составе Президиума ЦК. В своих воспоминаниях Микоян пишет, что предлагал оставить за Хрущевым пост Председателя Совмина. Видимо, было и такое предложение, но на совещании 14 октября Анастас Иванович предлагал не освобождать Хрущева именно от партийной должности. Хладнокровно и решительно возразил Микояну не Брежнев и не Суслов, а Косыгин: «Удовлетворен ходом обсуждения. Линия правильная. Полумерами не удастся решить. Стиль Хрущева – не ленинский. XXII съезд – два доклада на себя взял. Все сам, все сам. Письма льстивые рассылает, а критические – нет. Противопоставили себя Президиуму ЦК и ЦК. Ни с кем не считаетесь. Интриговали. Доклад Суслова – сначала хвалил, потом хаял. Власть на вас давит. Вам нравятся овации. Записки и единоличные решения о пятилетке и восьмилетке. Военные вопросы – монополизировал. Созвать пленум, ввести пост второго секретаря. Вас освободить от всех постов». Микоян рассказывал Хрущеву: «Я еще предлагал учредить для тебя должность консультанта Президиума ЦК, но мое предложение отвергли». Кто отверг? Снова Косыгин. Отповедь Брежнева еще оставляла Микояну пространство для маневра, но Косыгин был непреклонен и полностью исключал присутствие Хрущева в политической жизни.