ב-1959, לאחר המהפכה הקובנית, הכיר נשיא ארצות הברית, דווייט אייזנהאואר, בממשלה הקובנית החדשה שהדיחה את ממשלת בטיסטה, אך היחסים בין שתי המדינות התדרדרו במהרה. תוך מספר ימים, התפטר שגריר ארצות הברית, ארל ט. סמית, מתפקידו והוחלף בפיליפ בונסל. הממשל האמריקאי החל להיות בהדרגה מודאג מהרפורמה האגררית בקובה ומההלאמה של התעשיות שבבעלות אמריקאית. בין ה-15 באפריל לבין ה-26 באפריל 1959, ביקר קסטרו בראשות משלחת של נציגים בארצות הברית כאורחים של מועדון העיתונות. הביקור נתפס על ידי רבים כ"מתקפת קסם" (Charm offensive) מצדו של קסטרו וממשלתו החדשה ובמסגרת ביקורו הוא הניח זר על אנדרטת לינקולן בוושינגטון. לאחר פגישה של קסטרו עם סגן הנשיא דאז, ריצ'רד ניקסון, בה הוא התווה את תוכנית הרפורמות שלו, החלה ארצות הברית להטיל מגבלות סחר הדרגתיות על האי. ב-4 בספטמבר, נפגש השגריר בונסל על ראש הממשלה קסטרו והביע "דאגה כנה מהיחס שניתן לאינטרסים אמריקאים פרטיים בקובה".
ההתערבות הממשלתית וההשתלטות על עסקים בבעלות פרטית המשיכה ומגבלות הסחר על קובה הלכו וגדלו. ארצות הברית חדלה לקנות סוכר מקובה וסירבה לספק נפט לשותפתה לעסקים לשעבר, צעד שהיה הרסני לכלכלת האי וגרם לקובה לפנות לשותפתה החדשה לסחר, ברית המועצות, כדי שזו תספק לה את הנפט החיוני. במרץ 1960 החמירו המתחים כאשר אוניית המשא La Coubre התפוצצה בנמל הוואנה ו-75 איש נהרגו. פידל קסטרו האשים את ארצות הברית והשווה את התקרית להטבעתה של USS מיין, אף על פי שהוא הודה כי אינו יכול היה להביא הוכחה כלשהי להאשמתו. באותו חודש, התיר בחשאי הנשיא אייזנהאואר ל-CIA לארגן, לאמן ולצייד גולים קובנים כלוחמי גרילה שיפילו את משטרו של קסטרו.
בכל פעם שבה ממשלת קובה הלאימה רכוש אמריקאי, נקט הממשל האמריקאי בצעדי נגד, שכתוצאה מהם, כל היצוא לקובה נאסר ב-19 באוקטובר 1960. כתוצאה מכך, החלה קובה למסד יחסי סחר עם ברית המועצות, וגרמה לארצות הברית לנתק את היחסים שנותרו בין שתי המדינות. מאוחר יותר באותה שנה, נעצרו וגורשו הדיפלומטים האמריקאים, ויליאם פרידמן ואדווין סמית, באשמה של "עידוד מעשי טרור, מתן מקלט, מימון פעילות חתרנית והברחת כלי נשק". ב-3 בינואר 1961 הסירה ארצות הברית את הכרתה בממשלת קובה וסגרה את שגרירותה בהוואנה.
המועמד הדמוקרטי לנשיאות ארצות הברית, ג'ון פ. קנדי, האמין שמדיניותו של אייזנהאואר כלפי קובה שגויה. הוא מתח ביקורת על מה שהוא ראה כשימוש בהשפעת הממשל האמריקאי לקידום האינטרסים והגדלת הרווחים של חברות אמריקאיות פרטיות, במקום לסייע לקובה להגיע לקדמה כלכלית, באומרו שהאמריקאים שלטו בכלכלת האי והעניקו תמיכה לאחד ממשטרי הדיכוי הרצחניים ביותר בהיסטוריה של אמריקה הלטינית. "הנחנו לבטיסטה לשים את ארצות הברית בצד של הרודנות ולא עשינו דבר כדי לשכנע את העם הקובני ואת אמריקה הלטינית שרצינו להיות בצד של החרות".
ב-1961 עמדה קובה כנגד פלישה של כ-1,500 גולים קובנים שאומנו על ידי ה-CIA במפרץ החזירים. נטילת האחריות של הנשיא קנדי ליוזמה, שעוררה תגובה עממית נגד הפלישה, הוכחה כאמצעי תעמולה של הממשלה הקובנית. ארצות הברית החלה בעיצוב תוכניות חדשות שמטרתן גרימת חוסר יציבות של ממשלת קובה. פעילויות אלו נודעו באופן כולל כ"פרויקט קובה", או כ"מבצע נמייה" (Operation Mongoose). מבצע זה היה תוכנית מתואמת של פעילות פוליטית, פסיכולוגית וצבאית, שבה שולבו מבצעי מודיעין לצד ניסיונות רצח של מנהיגי מפתח פוליטיים. פרויקט קובה כלל גם הצעה לביצוע פעולות התקפה על מטרות בארצות הברית, כדי להשיג תמיכה לפעילות צבאית כנגד ממשלת קובה. הצעה זו הייתה ידוע בשם מבצע נורת'וודס.
דוח של ועדה מיוחדת של סנאט ארצות הברית, אישר מאוחר יותר את קיומם של שמונה ניסיונות להרוג את קסטרו בין השנים 1960–1965, לצד תוכניות נוספות כנגד מנהיגים קובנים אחרים. לאחר כישלון הפלישה למפרץ החזירים, ביצעה ארצות הברית פלישת דמה ב-1962 במבצע שכונה Operation Ortsac (שמו של קסטרו בהיפוך אותיות). המתחים בין שתי המדינות הגיעו לשיאם ב-1962, לאחר שמטוס סיור של ארצות הברית צילם פעילות בנייה של אתרי שיגור לטילים סובייטיים לטווח בינוני. גילוי זה הוביל לפרוץ משבר הטילים בקובה.
באופן דומה המשיכו יחסי הסחר בין שנית המדינות להתדרדר. ב-1962 הרחיב הנשיא קנדי את מגבלות הסחר שננקטו לאחר המהפכה על ידי קודמו בתפקיד, הנשיא אייזנהאואר, כך שנאסרו כל פעולות הסחר עם קובה, להוציא אספקת מזון ותרופות. שנה לאחר מכן נאסרו על אזרחי ארצות הברית הנסיעה לקובה והעברות כספים אליה. האמברגו של ארצות הברית כנגד קובה ממשיך בצורות שונות עד היום.
בתקופת כהונתו של הנשיא לינדון ג'ונסון החלו היחסים להפשיר, בתהליך שנמשך ב-15 שנים הבאות. ב-1964 שלח קסטרו לנשיא ג'ונסון מסר לעידוד המשך הדו-שיח בין שתי המדינות:
בסוף שנות השישים ובתחילת שנות השבעים, התרחשה תקופה ממושכת של חטיפת מטוסים בין קובה לבין ארצות הברית על ידי אזרחי שתי המדינות, שהצריכה שיתוף פעולה ביניהן. ב-1974, החלו לבקר בקובה נבחרי ציבור אמריקאים. שלוש שנים לאחר מכן, במהלך תקופת נשיאותו של ג'ימי קרטר, פתחו שתי המדינות משרדי אינטרסים זו בבירתה של זו. ב-1980, לאחר שכ-10,000 קובנים נדחסו בשגרירות פרו בהוואנה בחפשם מקלט מדיני, הצהיר קסטרו שכל מי שחפץ לצאת מקובה יכול לעשות כן, במסגרת מה שנקרא "הסירות של מריאל" (Mariel boatlift, על שם נמל העיר מריאל שבמערב קובה). בצורה זו עזבו את קובה כ-125,000 איש לארצות הברית. מבלי להיוועץ בממשלת ארצות הברית, כלל קסטרו בין הפליטים הללו, שהיגרו מסיבות פוליטיות וכלכליות, גם חולי נפש ואסירים משוחררים.
ב-1977, חתמו ארצות הברית וקובה על הסכם להגדרת הגבול הימים ביניהן, שבמסגרתו הן הסכימו על מיקומו של הגבול במצר פלורידה. ההסכם מעולם לא הובא לסנאט של ארצות הברית לאשרור, אך הוא יושם על ידי מחלקת המדינה.
ב-1981, הודיע ממשלו של הנשיא החדש, רונלד רייגן, על הידוק האמברגו. ארצות הברית גם חידשה את איסור הנסיעה לקובה לאזרחי ארצות הברית ועל העברות כספים. האיסור הורחב מאוחר יותר והוחל על פקידי ממשל קובנים ונציגיהם בביקוריהם בארצות הברית. ב-1985, החלה תחנת הרדיו והטלוויזיה "Radio y Televisión Martí" לשדר בתמיכת ממשל רייגן שידורי מידע וחדשות מארצות הברית לקובה.
לאחר המלחמה הקרה.
המלחמה הקרה הסתיימה בסוף שנות השמונים לאחר התפרקות ברית המועצות, ובכך נותרה קובה ללא מעצמה שתתמוך בה. השנים הבאות עמדו בסימן של קשיים כלכליים בקובה, תקופה הידועה בכינוי "התקופה המיוחדת" (בספרדית: Período especial). החוק האמריקאי התיר בחלק מתקופה זו את קיומה של פעילות הומניטרית פרטית בקובה. עם זאת, האמברגו האמריקאי ארוך הטווח, הוחמר באוקטובר 1992 כאשר חוקק "חוק הדמוקרטיה הקובנית" (Cuban Democracy Act, או "חוק טוריצ'לי", על שם הסנאטור רוברט טוריצ'לי שיזם אותו) וב-1996 נחקק "חוק החרות והדמוקרטיה הסולידרית הקובנית" (Cuban Liberty and Democracy Solidarity Act). החוק מ-1992 אסר על חברות בנות זרות של חברות אמריקאיות לסחור עם קובה, על נסיעתם של אזרחים אמריקאים לקובה, ועל העברות של כספים למשפחות בקובה. העיצומים הכלכליים יכלו גם לחול על חברות לא-אמריקאיות שסחרו עם קובה. כתוצאה מכך, היה על חברות רב-לאומיות לבחור בין קובה לבין ארצות הברית, כשזו האחרונה הייתה שוק גדול יותר.
ב-24 בפברואר 1996 הפילו מטוסי מיג-29 של חיל האוויר הקובני, שני מטוסי ססנה לא חמושים, שהוטסו על יד הארגון "אחים להצלה", הרגו שלושה קובנים-אמריקאים ותושב קובני-אמריקאי אחד. ממשלת קובה טענה שהמטוסים חדרו למרחב האווירי שלה.
בינואר 1999 הקל הנשיא ביל קלינטון על מגבלות הנסיעה לקובה במאמץ להרחיב את חילופי התרבות בין שתי המדינות. ממשל קלינטון אישר גם את עריכתה של סדרת משחקי ידידות בין קבוצת הבייסבול של בולטימור אוריולס לבין נבחרת הבייסבול הלאומית של קובה, והייתה זו הפעם הראשונה בה שיחקה בקובה קבוצה מהמייג'ור ליג בייסבול מאז 1959.
בפסגת המילניום של האו"ם שהתקיימה בספטמבר 2000, קיימו קסטרו וקלינטון שיחה קצרה במהלך צילום של קבוצת מנהיגים ולחצו ידיים. מזכ"ל האו"ם, קופי אנאן, הגיב לאחר מכן, . בעוד שקסטרו אמר שזו הייתה מחווה של , דחה הבית הלבן את האפשרות שהייתה משמעות כל שהיא לפגישה זו. בנובמבר 2001, החלו חברות אמריקאיות למכור מוצרי מזון לקובה בפעם הראשונה לאחר שארצות הברית הטילה את האמברגו לאחר המהפכה הקובנית. ב-2002, היה ג'ימי קרטר, לנשיא לשעבר או הנשיא המכהן הראשון שביקר בקובה לראשונה מאז 1928.
הידוק האמברגו.