大会中国代表身份多次赴日本参加世界禁止原子弹、氢弹大会，并积极促进发展中日民间交往和中日关系正常化。1960年，他作为刘少奇、邓小平率领的中国共产党代表团成员，赴莫斯科参加八十一国共产党、工人党代表会议。1963年7月6日至20日，刘宁一与邓小平为团长，彭真为副团长的中共代表团，同康生、杨尚昆、伍修权在莫斯科与苏共中央举行了9次会谈，苏斯洛夫为苏方代表团团长，波诺马廖夫和安德罗波夫也参加辩论，双方就国际共产主义运动中出现的问题开展论争1965年1月，他当选为全国人大常委会副委员长兼全国人大常委会秘书长。