בתחילה תפקידו הרשמי של קסטרו היה "השליח הראשי של הנשיא לכוחות המזוינים והמפקד העליון של צבא ה-26 ביולי". אולם הוא היה השליט בפועל, ואחרי שראש הממשלה הזמנית חוזה מירו קרדונה התפטר ב-14 בפברואר, התמנה קסטרו כראש ממשלה ב-16 בפברואר 1959.
קסטרו היה המזכיר הכללי הראשון של המפלגה הקומוניסטית של קובה מאז שהונהג תפקיד זה בשנת 1965.
תחילת שלטונו.
בחודשים הראשונים אחרי המהפכה בקובה, שלטון קסטרו הדגיש את השימוש בפרויקטים חברתיים לשיפור רמת החיים של קובה. הושם דגש רב על החינוך, ובמהלך 30 החודשים הראשונים לממשלת קסטרו נפתחו יותר כיתות לימוד מאשר ב-30 השנים לפני שלטונו. מערכת החינוך היסודי הקובני הציעה תוכנית ללימוד עבודה, עם מחצית מהזמן שהתלמידים שהו בכיתה, והחצי השני בפעילות פרודוקטיבית. שירותי הבריאות הולאמו והורחבו, כאשר מרכזי בריאות כפריים ומרפאות עירוניות נפתחו ברחבי האי כדי להציע סיוע רפואי חינם. חיסונים אוניברסליים נגד מחלות ילדות הופעלו, ושיעורי תמותת תינוקות הופחתו באופן דרמטי. חלק שלישי של תוכנית חברתית זו היה שיפור התשתית. במהלך ששת החודשים הראשונים של ממשלת קסטרו, 600 ק"מ של כבישים נבנו ברחבי האי, בעוד 300 מיליון דולר הוצאו על פרויקטים של מים ותברואה.
למעלה מ -800 בתים נבנו מדי חודש בשנים הראשונות של הממשל במאמץ לקצץ בחוסר קורת גג, ואילו תינוקיות ומעונות יום נפתחו לילדים ומרכזים אחרים נפתחו עבור נכים וקשישים.
בתחילה הכירה ארצות הברית בממשלתו של קסטרו, אך החיכוכים עם ארצות הברית הובילו עד מהרה למדיניות של הלאמת רכוש של תאגידים אמריקנים (במיוחד "חברת הפירות המאוחדת") ותשלום פיצויים המבוססים על שומות מס מימי בטיסטה, שהחברות הצליחו להנמיך באופן מלאכותי. קסטרו ביקר בבית הלבן באפריל 1959, ונפגש עם סגן הנשיא ריצ'רד ניקסון. נראה שהנשיא אייזנהאואר לא התייחס אליו באופן רציני, ובאמתלה של משחק גולף השאיר לסגנו לברר את טיבו של האיש. מדיניותו של קסטרו בשאלת ההלאמה הותירה בוושינגטון חשדות שמדובר בקומוניסט אשר יכרות ברית עם ברית המועצות. לאחר הפגישה אמר ניקסון כי קסטרו הוא "נאיבי" אך לא בהכרח קומוניסט.
בפברואר 1960 חתמה קובה על הסכם לרכישת נפט מברית המועצות. כאשר בתי הזיקוק בבעלות ארצות הברית בקובה סירבו לזקק נפט זה, הם הולאמו, והתוצאה הייתה ניתוק היחסים הדיפלומטיים עם ארצות הברית. לחרדתו של ממשל אייזנהאואר, הלכו היחסים בין קובה וברית המועצות והתהדקו. אמנות שונות נכרתו בין קסטרו והנשיא ניקיטה חרושצ'וב, וקובה החלה לקבל סיוע כספי וכלכלי מברית המועצות.
ב-17 באפריל 1961, יומיים לאחר שמפציצי B-26 הנושאים סימול קובני מזויף הפציצו את קובה, ויום לאחר שקסטרו תיאר את מהפכתו כ"סוציאליסטית" הנחיתה ארצות הברית מהלומה כושלת על קובה, הקרויה "הפלישה למפרץ החזירים". בהוראת מנהל הסוכנות אלן דאלס, ובאישורו של הנשיא ג'ון פ. קנדי, נחת מדרום להוואנה (על חוף המכונה "מפרץ החזירים") כוח של כ-1,400 גולים קובניים שמומנו, אומנו והודרכו על ידי ה-CIA, סוכנות הביון המרכזית של ארצות הברית. סוכנות הביון הניחה כי הפלישה תצית ניצוץ של התנגדות עממית לקסטרו, אך זו לא באה. הגולים שנחתו על החוף נתפסו, וברגע האחרון הורה קנדי שלא לסייע להמשך הפלישה (בכוחות צבא אמריקנים). שתי ספינות אספקה אמריקניות הוטבעו על ידי מטוס קובני. תשעה אנשים הוצאו להורג, ואילו השאר שוחררו כעבור כמה שנים לאחר משא ומתן מתיש עם ארצות הברית. תוצאת הפעולה היא כי קסטרו, אשר פיקד על הלחימה באופן אישי, הוסיף ליוקרתו ושמר על מעמדו.
מאוחר יותר באותה השנה, בנאום לאומה ב-2 בדצמבר, הכריז קסטרו כי הוא מרקסיסט-לניניסט, ושקובה מאמצת את הקומוניזם. במהלך שנות השישים נמשכו ניסיונות אמריקניים להתנקש בחייו של קסטרו או להפיל את משטרו. האחראי על ביטחונו של קסטרו ומפקד שומרי הראש שלו מנה יותר מ-600 ניסיונות התנקשות בקסטרו שנכשלו. גולים קובניים ניסו לחקות את פעולתו של קסטרו עצמו, ויצרו חבורות אלימות שפעלו במיוחד בסיירה דה אסקמבריי, אזור הררי מרוחק בסמוך לעיר טרינידד.
בעת משבר הטילים.
לפי זכרונותיו של חרושצ'וב, הגה המנהיג הסובייטי את הרעיון כי יש להציב טילים בקובה כהרתעה מהמשך הפעולות התוקפניות של ארצות הברית כנגד האי, במהלך נופש בחצי האי קרים בשנת 1962. לאחר שהתייעץ עם אנשי צבאו, נפגש חרושצ'וב עם משלחת קובנית בראשות ראול קסטרו בחודש יולי על מנת לתאם את הפרטים. הוסכם לפרוס טילי R-12 "דווינה" גרעיניים לטווח בינוני על אדמה קובנית. מטוס ריגול אמריקני גילה את בניית אתרי הטילים ב-15 באוקטובר 1962, לפני שהטילים נפרסו. ארצות הברית ראתה בהתקנת טילים גרעיניים סובייטיים במרחק של 90 מייל דרומית למיאמי פעולה תוקפנית ואיום על ביטחונה הלאומי.
משבר הטילים בקובה החל בכך שארצות הברית הכריזה בפומבי ב-22 באוקטובר כי גילתה את הטילים, והטילה מצור ימי על קובה. במכתב אישי לחרושצ'וב ב-27 באוקטובר 1962 המריץ קסטרו את חרושצ'וב להכות מכת מנע גרעינית על ארצות הברית אם זו תפלוש לקובה, אך חרושצ'וב דחה גישה זו. מפקדים של הצבא הסובייטי בקובה עצמה הוסמכו להשתמש בנשק גרעיני טקטי נגד כוחות ארצות הברית, אם אלו יפלשו.
לאחר כמה ימים מורטי עצבים, הסתיים המשבר בכך שחרושצ'וב הסכים להסיג את הטילים בתמורה להתחייבות אמריקנית לא לפלוש לקובה, וארצות הברית הסכימה להסיר טילים אמריקניים שהוצבו בטורקיה. אחרי התפוגגות המתח נותרו היחסים בין ארצות הברית לקובה עוינים במיוחד, וה-CIA המשיך במאמציו להפיל את משטרו של קסטרו.
עד היום נחשב קסטרו לאדם שנוי במחלוקת. יש האומרים שהוא גיבור, ויש האומרים שאין הוא טוב מקודמו, בטיסטה, ושהוא אחראי לנפילת קובה.
לאחר המשבר.
ב-10 בספטמבר 1973, בסופה של ועידת אלג'יר, הודיע קסטרו על ניתוק היחסים עם מדינת ישראל.
עמדותיו ודעותיו.
היחסים עם קנדה ועם אליוט טרודו.
ב-1976 ביקר בקובה פייר אליוט טרודו, ראש ממשלת קנדה. היה זה הביקור הראשון של מנהיג מערבי מכהן מאז משבר הטילים. טרודו הגיש לקובה סיוע בסך ארבעה מיליון דולר אמריקניים, והלווה עשרה מיליון דולר נוספים. בנאומו הצהיר טרודו "יחי ראש הממשלה והמפקד פידל קסטרו. תחי הידידות הקובנית - קנדית".
טרודו וקסטרו המשיכו בידידותם אף לאחר שהקנדי סיים את תפקידו. טרודו ביקר בקובה מספר פעמים בשנות השמונים והתשעים. קסטרו ביקר במונטריאול בשנת 2000 על מנת להשתתף בהלוויית טרודו.
אפשרויות הגירה מקובה.
ב-28 במרץ 1980 חצה אוטובוס של מבקשי מקלט מדיני את שער שגרירות פרו בהוואנה. בתוך 48 שעות שטף זרם של 10,000 מבקשי מקלט את השגרירות. קסטרו הכריז ב-20 באפריל, כי כל אחד יוכל לעזוב בספינה ממפרץ מריאל בהוואנה. גולים קובנים החלו לשוט לכיוון מריאל במה שנקרא "שייטת החופש". לפי משמר החופים האמריקני נמלטו ממולדתם 124,776 קובנים, עד שקסטרו הורה על סגירת נמל מריאל ב-26 בספטמבר. על אף שרוב הנמלטים אכן היו מבקשי מפלט מדיני, מעריכים שזו הייתה דרכו של קסטרו להיפרד מ-20,000 פושעים פליליים, חולי נפש והומוסקסואלים.
קסטרו היה אתאיסט, ולא נהג על פי הדת הקתולית מאז ילדותו. האפיפיור יוחנן העשרים ושלושה נידה את קסטרו ב-3 בינואר 1962, בהתאם לצו שהוציא פיוס ה-12, האוסר על קתולים לתמוך בממשלים קומוניסטיים. מבחינת קסטרו, אשר זה מכבר התנער מערכיו הקתוליים, לא הייתה לאירוע זה כל משמעות, ואיש לא ציפה לכך שאירוע זה ישפיע עליו באופן אישי. הנידוי כוון אל אנשי קובה, בתקווה להפחית את תמיכתם. לא נראה כי נידוי זה נחל הצלחה מבחינה זו.
יחסיו עם האפיפיור יוחנן פאולוס השני היו טובים במקצת. בתחילת שנות התשעים של המאה ה-20 הסכים קסטרו להפחית את המגבלות על הדת, ואף לאפשר לקתולים מאמינים להצטרף אל המפלגה הקומוניסטית. ב-1998 אירח קסטרו את האפיפיור בביקורו בקובה, והיה זה האפיפיור הראשון שביקר באי. יוחנן פאולוס השני הביע בביקור זה ביקורת, הן על המשטר הקומוניסטי והן על האמברגו האמריקני.
בשנת 1994 אישר קסטרו ביקור של הרב ישראל מאיר לאו, הרב הראשי לישראל דאז. היה זה הביקור היחיד של נציג ישראלי רשמי, והוא אושר משום שהרב בא כנציג הדת. הרב לאו התקבל בחום, הציג את בעיית השבויים, דן בבעיות דת ליהודים בקובה (כשרות, קבורה, ועוד) ואף העביר מסר של ידידות מראש הממשלה יצחק רבין.
ביקורתו של קסטרו על ארצות הברית.
קסטרו נשאר מבקר קולני של ארצות הברית, במיוחד בנוגע לאמברגו שזו הטילה על קובה, ולניסיונותיה למוטט את ממשלו עד סוף ימיו. הוא גינה את הדרך שבה מנצלת ארצות הברית את המדינות המתפתחות, ואף את מדיניות הבריאות של ארצות הברית כלפי אזרחיה. קסטרו גם גינה את מדיניות ההגירה של ארצות הברית, המגבילה את הנסיעה של קובנים גולים לבקר את משפחתם בקובה. קסטרו היה בין הטוענים כי מדיניות הארצות המפותחות כלפי חובות הארצות המתפתחות, היא גורם מרכזי בפיגורן הכלכלי של ארצות אלו.
במרץ 2007 תקף קסטרו את מדיניות הדלק של ארצות הברית המתעתדת לעבור לדלקי ביומאסה. לטענתו, השימוש ביבולי מזון לצורך הפקת דלק יגרום למותם של שלושה מיליארד איש כתוצאה מרעב.
שלטונו.
מדיניותו הכלכלית.