בארבעת החודשים הראשונים של 1956 פעל שליח אמריקאי מיוחד, רוברט אנדרסון לתיווך בין ישראל ומצרים אולם נכשל. בזמן מבצע קדש פעלה נגדו ארצות הברית תוך הפעלת לחץ על צרפת ועל בריטניה ומיד לאחריו דרשה ארצות הברית, יחד עם ברית המועצות, כי ישראל תפנה את חצי האי סיני וישראל נאלצה לעשות כן. בתמורה התחייבה ארצות הברית לדאוג להבטחת חופש המעבר של כלי שיט ישראלים במצרי טיראן. לעומת זאת, העברת הנאום הסודי של ניקיטה חרושצ'וב לארצות הברית הביאה ליצירת קשר מודיעיני בין המדינות.
לאחר ההפיכה בעיראק ב-1958 שהביאה להתמוטטות ברית בגדאד החלו היחסים הצבאיים בין שתי המדינות להתחמם, כשארצות הברית רואה בישראל בסיס אסטרטגי שלה באזור.
ב-1952 גורש המזכיר הראשון בשגרירות ישראל בוושינגטון, אלישיב בן חורין, לאחר שנחשפה פעילות מודיעין ישראלית חשאית בארצות הברית.
הקמת הקריה למחקר גרעיני (בסיוע צרפת) בתחילת שנות ה-60 התגלתה על ידי ארצות הברית ופורסמה לראשונה על ידי מחלקת המדינה בסוף 1960. כתוצאה מחשיפת הכור שלוותה בלחץ אמריקאי, אפשרה ישראל לפקחים אמריקאים לערוך ביקורות בכור אשר נמשכו לפחות עד סוף שנות ה-60. הלחץ נמשך עד שבתחילת שנות ה-70 הכירה ארצות הברית למעשה ביכולתה הגרעינית של ישראל. במאי 1961 נערכה פגישה ראשונה בין ראש ממשלת ישראל לנשיא ארצות הברית.
במאי 1963 הכריז הנשיא קנדי בנאום רשמי כי ארצות הברית תתערב לטובת ישראל במקרה של תוקפנות. ב-12 בדצמבר אותה שנה נחתמה אמנת הסגרה בין שתי המדינות.
ביוני 1964 היה לוי אשכול לראש הממשלה הישראלי הראשון שהוזמן לביקור רשמי בארצות הברית ונפגש עם נשיא ארצות הברית בבית הלבן. בעקבות זאת חתמו שתי המדינות על "מזכר הבנה" חשאי ב-10 במרס 1965.
עד למלחמת ששת הימים הייתה צרפת ספקית הנשק העיקרית של ישראל. עם זאת החל מראשית שנות ה-60 החלה ארצות הברית למכור לישראל נשק, תחילה הגנתי (כמו טילי הוק שנקנו בשנת 1962) ולאחר מכן גם התקפי (טנקי פטון שנקנו בשנת 1965). כמו כן סיפקה ארצות הברית נשק באופן עקיף לישראל שהועבר מגרמניה המערבית כחלק מהסכם השילומים (דבר שגילויו הביא להתמוטטות מאמצי האמריקאים להסכם הגבלת נשק עם התגלותו ב-1965).
ממלחמת ששת הימים עד למלחמת יום הכיפורים.
לפני פרוץ מלחמת ששת הימים ניסתה ארצות הברית למנוע את פריצתה, אולם אי הבאת ארצות הברית להסרת הסגר מעל מצרי טיראן הקשה על התנגדותה לפעולה הישראלית. במהלך המלחמה הותקפה ספינת ביון של הצי האמריקני על ידי צה"ל, אירוע שנודע כתקרית ליברטי. לאחר המלחמה ניסתה ארצות הברית להתקרב לארצות ערב במטרה לבלום את ההשפעה הסובייטית והביאה לקבלת החלטה 242 אולם בשל תוצאות המלחמה נטו מדינות ערב (במיוחד מצרים) לצד הסובייטי שסייע להם להשתקם. מצב זה בצירוף ההידרדרות החמורה ביחסים בין צרפת וישראל והתקרבות של צרפת לברית המועצות הביא להידוק היחסים בין ישראל וארצות הברית, כאשר ארצות הברית הפכה לספקית הנשק העיקרית של ישראל. לעומת זאת סיפוח מזרח ירושלים לישראל נתקל בהתנגדות אמריקאית תקיפה, ב-28 ביוני (יום לאחר הסיפוח) הודיע שגריר ארצות הברית באו"ם כי היא אינה מכירה בו וב-1 ביולי 1969 הודיע מחליפו כי ארצות הברית רואה במזרח ירושלים שטח כבוש. בשנת 1969 הייתה שותפה ארצות הברית (יחד עם בריטניה, צרפת וברית המועצות) לשיחות הארבע שנועדו לפתרון הסכסוך הישראלי-ערבי ולאחר מכן מזכיר המדינה ויליאם רוג'רס הציע בשנים 1969–1971 שלוש תוכניות לפתרון הסכסוך, במיוחד בהקשר למלחמת ההתשה.
סמוך למלחמת ששת הימים, עמדה התמיכה בישראל בקרב אזרחי ארצות הברית על 56%, לאחר המלחמה נסקה התמיכה ל-74%.
היחסים הצבאיים בין המדינות קיבלו דחיפה נוספת עם האמברגו הצרפתי על מכירת נשק בישראל שהביא את ארצות הברית למכירת מטוסי F-4 פנטום לישראל בשנת 1968, עסקה בה היה מעורב אישית נשיא ארצות הברית לינדון ג'ונסון. המשלוח הראשון של מטוסי הפנטום הגיע לישראל בספטמבר 1969 וארצות הברית הצהירה שאספקת המטוסים נעשתה בתגובה לנשק שברית המועצות שלחה לארצות ערב.
במהלך ספטמבר השחור הכריעה בקשה של ארצות הברית בוויכוח הפנימי שנערך בישראל בקשר לתמיכה במלך חוסיין. לאחר מלחמת ההתשה נקלע הממשל בארצות הברית לבעיות פנימיות (פרשת ווטרגייט), דבר שהקטין את מעורבותו באזור. בעקבות מצב זה, ניסיונותיו של סאדאת להשיג התקדמות מדינית נתקלו בהתעלמות גם מצד ארצות הברית. ב-1972 נוסדה הקרן לשיתוף פעולה מדעי.
ממלחמת יום הכיפורים עד למלחמת המפרץ.
מלחמת יום כיפור הביאה להתפתחות משמעותית ביחסים, כאשר ההפתעה במלחמה גרמה לכך שללוחמי צה"ל לא היה די ציוד, ובשלב מתקדם של המלחמה העבירה ארצות הברית ציוד ברכבת אווירית דרך אירופה. המלחמה גרמה לעלייה משמעותית במתיחות בין ארצות הברית ובין ברית המועצות, כאשר בשיא המשבר, בסוף המלחמה, הועלתה רמת הכוננות בצבא ארצות הברית לרמה 3 (מתוך 5). לאחר המלחמה ניצלה ארצות הברית את המצב לניסיונות שלום שכללו את ועידת ז'נבה (דצמבר 1973) ואת הסכם הפרדת הכוחות בין ישראל לסוריה במאי 1974, ניסיונות אלו לוו בלחץ מסיבי על ישראל. ב-16 ביוני 1974 הגיע לישראל נשיא ארצות הברית ריצ'רד ניקסון. היה זה ביקור ראשון של נשיא ארצות הברית בישראל. חרם הנפט הביא לחיזוק הגישה הפרו ערבית בארצות הברית, דבר שהביא להתגברות הייצוא למדינות ערב ולעימותים על רקע מכירת נשק אמריקאי מתקדם לארצות אלו שנמשכים עד לימינו. ב-1974, בעקבות התעוררות המאבק למען אסירי ציון הועבר בקונגרס חוק הקורא לשחרורם ומטיל סנקציות על ברית המועצות עד לשחרורם.
במרץ 1975 פרץ משבר ביחסים, כאשר ארצות הברית דרשה מישראל לסגת ממעברי המיתלה והגידי ללא הסכם אי לוחמה, משבר זה לווה בהכרזה של הממשל על "הערכה מחדש" ולעומתה מכתב תמיכה בישראל של שלושת רבעי מחברי הסנאט לנשיא. משבר זה הסתיים כאשר הוסכם על נוכחות אמריקאית אזרחית לכאורה במקום, דבר אשר אפשר את הסכם הביניים בין ישראל למצרים ב-1975 (שלווה בחתימת מזכר הבנה בין המדינות שקבע בין היתר כי ארצות הברית תספק במידת הצורך נפט לישראל) ועודד את יציאת מצרים ממעגל ההשפעה הסובייטי. כחלק מהתפתחות זו שלח ב-1 בספטמבר 1975 הנשיא ג'רלד פורד מכתב סודי לראש הממשלה יצחק רבין שבו התחייב לא רק לאספקת נשק אלא גם לשמירת היתרון האיכותי של ישראל (התחייבות שחוזרת ונשנית מאז) ולכך שלא תיווצר מדיניות אמריקאית חדשה באזור ללא התייעצות עם ישראל.
ב-1977 הועבר חוק בקונגרס האמריקאי המטיל קנסות על חברות אמריקאיות המיישמות את החרם הערבי. בתחילת אוקטובר 1977 נערכה ועידת שלום בינלאומית על הסכסוך הישראלי-ערבי בחסות ארצות הברית וברית המועצות בז'נבה. ארצות הברית הייתה המלווה העיקרית של תהליך השלום בין ישראל ומצרים כאשר במהלך ועידת קמפ דייוויד לחץ הנשיא ג'ימי קרטר על הצדדים להגיע להסכם. טקס חתימת הסכמי קמפ דייוויד נערך בבית הלבן ב-17 בספטמבר 1978 והביא לא רק לשלום בין ישראל ומצרים אלא גם לתחילתו של סיוע אמריקאי רציף (לישראל - צבאי בעיקרו) לשתי המדינות. חתימתו הסופית של הסכם השלום ב-26 במרץ 1979 לוותה בהסכם שבו התחייבה ארצות הברית לערוב לביצועו, לספק נשק לישראל ולהימנע מאספקת נשק שיסכן אותה. כמו כן, ארצות הברית מימנה את העברת בסיסי חיל האוויר מסיני לתוך הקו הירוק.
ב-3 במרץ 1980 תמכה ארצות הברית בהחלטה 465 של מועצת הביטחון של האו"ם שהצהירה כי אמנת ז'נבה הרביעית מוחלת על השטחים, כולל מזרח ירושלים, אולם לאחר מכן חזר הממשל בו. החל משנת 1981 ניתן הסיוע האזרחי האמריקאי לישראל בצורת מענקים וב-30 באוקטובר שנה זו נחתם הסכם שיתוף פעולה אסטרטגי בין ישראל וארצות הברית. הסכם זה בוטל במהרה בעקבות החלת הריבונות הישראלית על הגולן. לעומת זאת תקיפת הכור העיראקי ב-7 ביוני הביאה למתח ביחסים ולעיכוב אספקת מטוסים לישראל. באותה שנה הביאה גם מכירת מטוסי שליטה ובקרה מסוג בואינג E-3 סנטרי (AWACS) לסעודיה למתח ביחסים.
בשנת 1982 הכריז מזכיר המדינה האמריקאי אלכסנדר הייג, ש"ישראל היא נושאת המטוסים האמריקאית הגדולה והיעילה". אין צורך להציב עליה חיילים אמריקאים, אי אפשר להטביעה והיא משייטת באזור חיוני לביטחון ארצות הברית.
מבצע שלום הגליל הביא למתיחות בין ישראל וארצות הברית שראתה בו הפרה של הסכם הפסקת האש בין ישראל ואש"ף שהושג בתיווכה ב-24 ביולי 1981. טבח סברה ושתילה הביא להידרדרות נוספת ביחסים (ולשליחת כוחות מארינס ללבנון, שנאלצו לסגת משם שנה לאחר מכן בעקבות פיגועי טרור). גם דחייתה של ישראל את תוכנית רייגן ב-1 בספטמבר 1982 שגובשה בעקבות שליחות פיליפ חביב לאזור לא תרמה ליחסים, ותוכניות ארצות הברית להתקדמות הוקפאו בשל רצח באשיר ג'ומייל.
ב-1983 התאוששו היחסים, דבר שהתבטא בחתימה על הסכם הדיאלוג האסטרטגי בין המדינות ב-29 בנובמבר. בינואר 1984 נערך תרגיל ימי ואווירי משותף ראשון ולאחר מכן הקימה ארצות הברית מחסני ציוד צבאי בישראל (המחסנים שייכים לארצות הברית אולם חוסכים את זמן ההעברה אם מוחלט להעביר את הציוד לישראל).
ב-1985 התייצב הסיוע הצבאי האמריקאי על 3 מיליארד דולר לשנה והוא הפך למענק, בנוסף סייעה ארצות הברית לתוכנית הייצוב של 1985 על ידי מענק של 1.5 מיליארד דולר וסיוע של מומחים כלכליים (אחד מהם, סטנלי פישר, הפך כעבור שני עשורים לנגיד בנק ישראל). בנוסף נחתם ב-22 באפריל 1985 הסכם אזור סחר חופשי בין שתי המדינות שהיה הראשון מסוג זה שחתמו שתי הארצות.