במהלך שנת 1959 חל שינוי לרעה ביחס לישראל מצד חלק ממערכות השלטון בצרפת, וב-14 במאי 1960 פרץ משבר בין המדינות, לאחר ששר החוץ הצרפתי הודיע כי ממשלת צרפת החליטה שלא לספק אורניום לכור האטומי בדימונה. בעקבות זאת, ביקשה ישראל פגישה בין בן-גוריון לנשיא דה-גול. ב-23 במאי 1960 הכריז בן-גוריון מעל דוכן הכנסת על לכידת אדולף אייכמן והעמדתו למשפט בישראל. בעקבות גילוי עובדת מקום לכידתו, פרץ משבר דיפלומטי חריף עם ארגנטינה, שדרשה את החזרתו, אולם בן-גוריון התעקש על שפיטת אייכמן בישראל. ב-14 ביוני נערכה עבור בן-גוריון קבלת פנים מפוארת בארמון האליזה בפריז, שם נפגש עם דה-גול. בפגישה דיבר דה-גול צרפתית ובן-גוריון באנגלית, כמעט ללא עזרת המתורגמנים. דה-גול הבטיח כי צרפת לא תיתן להשמיד את ישראל. בן-גוריון הגיע למסקנה שפינוי אלג'יריה יחבל בידידות בין צרפת וישראל, ולכן הציג בפני דה-גול את תוכניתו לפתרון בעיית אלג'יריה באמצעות חלוקה והעברת מיליון צרפתים לאלג'יריה. אולם תוכניתו לא שכנעה איש מאנשי הממשל הצרפתי. בשל התארכות הפגישה, הזמין דה-גול את בן-גוריון לפגישה נוספת. ב-17 ביוני נפגשו שוב ובן-גוריון הבטיח כי אין בכוונת ישראל לבנות נשק גרעיני בכור המוקם בדימונה. דה-גול הבטיח לו שצרפת תגן על ישראל ושישראל תקבל את "המטוסים הטובים ביותר" של צרפת. בעקבות הפגנת התמיכה של דה-גול בישראל, התיישרו הפקידות האזרחית והצבאית בצרפת בהתאם לקו של הנשיא. בין דה-גול ובן-גוריון נוצרה ידידות אישית.
באישורו של בן-גוריון, הגיעה ישראל להסכם פשרה עם צרפת, לפיו תמשיך ישראל בהקמת הכור האטומי ובן-גוריון יודיע פומבית על הקמתו. אולם הממשל האמריקני גילה את הדבר לפני ההודעה הפומבית, ונושא "הפצצה האטומית הישראלית" פורסם בעיתונות האמריקנית ונודע ברחבי העולם. ב-21 בדצמבר 1960 מסר בן-גוריון הודעה בכנסת, כי בנגב מוקם כור מחקר אך הידיעות על פצצה אטומית אינן נכונות. ב-3 בינואר 1961 מסרה מחלקת המדינה האמריקנית לישראל חמש שאלות לגבי הכור, שיש להשיב עליהן עד חצות הלילה. בן-גוריון סירב לדרישה להשיב עד חצות. הוא זימן לשדה בוקר את השגריר האמריקני, אוגדן ריד, השיב לו על השאלות והוסיף בתקיפות: "לא נהיה גרורים של אמריקה. עליכם לדבר אתנו כדבר שוה אל שוים, או לא תדברו אתנו". סירובה של ישראל לאפשר ביקור מיידי של אנשי מדע אמריקנים בכור הוביל לעימות חריף עם הממשל האמריקני, והלחץ על ישראל אף גבר לאחר בחירתו של ג'ון קנדי לנשיא ארצות הברית. בסוף מאי יצא בן-גוריון לביקור רשמי בקנדה, בהזמנת ראש ממשלה, ג'ון דיפנבייקר. בתום חמשת ימי ביקורו, טס לניו יורק, שם נפגש עם הנשיא קנדי. לקראת הפגישה, התירה ישראל ביקור של שני מומחים אמריקנים בכור, וקנדי סיפר לבן-גוריון כי הם השתכנעו שהכור נועד לצורכי שלום. בזמן שהותו בארצות הברית, ביקר אותו במלונו הנשיא לשעבר הארי טרומן. בן-גוריון אמר לו: "בעיני העם היהודי אתה תחיה לנצח!". טרומן התרגש ופרץ בבכי. בלונדון התקבל בן-גוריון על ידי גיבורו, וינסטון צ'רצ'יל, שאמר לו: "אתה מנהיג אמיץ של אומה גדולה!". לאחר כישלון מרד הגנרלים באלג'יריה, שלח בן-גוריון ב-26 באפריל מברק ברכה לדה גול. ב-6 ביוני התקבל בלשכתו. בתום ארוחת הצהריים, הרים דה גול כוס "לישראל, ידידתנו ובת־בריתנו" – הכרזה בעלת משמעות רבה בעיצומם של מלחמת אלג'יריה והמגעים החשאיים עם החזית הלאומית לשחרור אלג'יריה.
פרשת לבון 1960–1961.
לדעת הביוגרף מיכאל בר-זוהר, לאחר ארבע "שנות זוהר" מאז מבצע סיני, בשנת 1960 החל תהליך ממושך ובלתי-רצוף של שקיעתו של בן-גוריון.
ב-5 במאי 1960 ביקש בן-גוריון לשמוע ממזכיר ההסתדרות, פנחס לבון, מה יש בלבו בנוגע ל"מאורע מצרים" ("העסק הביש" – הפרשה שבמרכזה עמדה השאלה מי נתן את ההוראה להפעלתה של רשת ריגול וחבלה ישראלית שנלכדה במצרים בשנת 1954). לבון סיפר כי יש בידו עדות חשובה על זיוף התעודות באמ"ן. בן-גוריון ביקש את החומר והבטיח "לעשות בירור". כך התפוצצה מחדש "פרשת לבון". בן-גוריון הורה לרמטכ"ל חיים לסקוב למנות ועדת חקירה וזו הוקמה ב-12 בספטמבר בראשות השופט העליון חיים כהן. ב-26 בספטמבר דרש לבון מבן-גוריון לבטל את ועדת החקירה החדשה, לטהר אותו מאחריות לפעולה במצרים ולהטיל את האשמה על בנימין גיבלי, אולם בן-גוריון סירב. למחרת החלה העיתונות לפרסם קטעים מהשיחה. רובם הגדול של מאמרי העיתונים צידדו בלבון וביקרו את בן-גוריון. בזמן ההמתנה לסיום עבודת ועדת החקירה, החליט בן-גוריון להיכנס לעובי הקורה ולקרוא פרוטוקולים מתקופת "העסק הביש", כדי שיוכל להתמודד עם התקפות העיתונים. ב-2 באוקטובר העלה את "הפרשה" בישיבת הממשלה ודיבר עליה בוועדת החוץ והביטחון. הוא הציג את עמדתו החדשה, שמדובר ב"שני מאורעות נפרדים": האירוע במצרים והתפטרות לבון ממשרד הביטחון מפני שהצעותיו לשינוי מערכת הביטחון לא נתקבלו על ידי ראש הממשלה שרת. הוא גם פרסם הודעה לעיתונים, בה הדגיש: "כל העניין הזה אין לו שום נגיעה למפא"י. במידה שאני מטפל בדבר זה – אני מטפל אך ורק כשר ביטחון". לבון החליט לפנות לוועדת החוץ והביטחון. ב-4 באוקטובר העיד בפניה ומתח ביקורת על בן-גוריון. כשנודע לבן-גוריון תוכן עדותו, הפך הקרע הסמוי ביניהם לריב מלא שנאה. לאחר שגילה שתוכן מכתב ששלח ללבון הודלף לעיתון, נוצר ביניהם עימות חריף ובמכתב ששלח אליו ב-10 באוקטובר שם בן-גוריון קץ ליחסיהם. באותו יום חזר לתל אביב מחופשתו וחקר את שרי המפלגות האחרות בממשלת שרת לגבי מעשיו של לבון כשר הביטחון. לבון העיד בארבע ישיבות של הוועדה, בהן גולל את גרסתו ל"עסק הביש" ודחה את ההצעה לחקירה משפטית. דיוני הוועדה היו אמנם סודיים, אולם דיווחים מדבריו פורסמו בעיתונים וחוללו רעידת אדמה פוליטית. דיווחים אלה היו מצונזרים וכללו שמות-צופן מוסכמים. הציבור הרחב לא יכול היה להבין על איזו פרשה מדובר, אולם הבין כי מדובר בשבר גדול בצמרת מפלגת השלטון. הנהגת מפא"י החליטה לעשות כל שביכולתה כדי להוציא את הטיפול בפרשה מידי הוועדה ולהשתיק את הפרשה, אולם בן-גוריון החליט לנטוש את עמדתו הנייטרלית ולצאת למאבק גלוי נגד לבון. מרגע שהפך לצד בפרשה, נראתה תביעתו העקרונית לערוך בירור משפטי בפרשה כניסיון להפריע למאבקו של לבון להשגת צדק.
ועדת כהן הגישה לבן-גוריון את ממצאיה, לפיהם נעלמו מסמכים והייתה הדחה לעדות שקר. בן-גוריון העביר את הממצאים ליועץ המשפטי לממשלה והשעה את גיבלי משירות בצה"ל. אולם הוא התנגד ל"טיהור" לבון ללא חקירה משפטית והתעמת בכך עם צמרת מפלגתו. ב-21 באוקטובר נפגש עם גיבלי, שטען בפניו כי אכן קיבל מלבון את ההוראה. בן-גוריון השיב כי עליו לדרוש ועדת חקירה משפטית, וב-23 באוקטובר הגיש את בקשתו של גיבלי לממשלה. מספר שרים, ובהם אשכול ומאיר, התנגדו לוועדת חקירה משפטית והצהירו כי הם מעדיפים חקירה על ידי הממשלה עצמה, אולם בן-גוריון התנגד בתוקף. כדי למצוא פשרה, פנה לוי אשכול אל משה שרת, שהיה ראש הממשלה בזמן התפטרות לבון, וזה פרסם ב-25 באוקטובר הודעה שאמרה כי על פי ממצאי ועדת כהן נראה כי "האשמה שהוטלה על פנחס לבון, לגבי האחריות הישירה ל'פרשה', היא אשמת שוא". לבון מיהר לפרסם הודעה משלו, בה קבע כי דברי שרת מחסלים את הפרשה. מתוך מכתב סודי שכתב לשרת ב-28 באוקטובר, מתברר שבן-גוריון סבר כי אשמתו של גיבלי אינה מוכיחה שלבון לא נתן לו את ההוראה לפעולה במצרים או לפחות גרם לו "להניח שזהו רצונו של שר הביטחון".
ב-30 באוקטובר החליטה הממשלה להקים ועדת שרים שתבדוק את החומר הנוגע לפרשה. בן-גוריון לא התנגד להצעה, לא השתתף בהצבעה ולאורך עבודת הוועדה לא התעניין בדיוניה. ב-20 בדצמבר הגישה "ועדת השבעה" בראשות שר המשפטים פנחס רוזן את מסקנותיה לממשלה. היא פסקה כי "לבון לא נתן את ההוראה" וכי "מעשה 'העסק הביש' לא בוצע בידיעתו". דו"ח המסקנות הסופיות של הוועדה, שהובא לממשלה ב-25 בדצמבר, קבע כי "יש לראות את בירור הפרשה כנגמר ומסוכם". הממשלה החליטה לאשר את המסקנות, אולם בן-גוריון ראה "משוא פנים" בהתנהלות הוועדה ו"היעדר אמת וצדק" במסקנותיה, ולא השתתף בהצבעה. הוא הודיע כי אינו יכול לקחת חלק באחריות המשותפת להחלטה ולכן אינו עוד "חבר בממשלה". לפני התפטרותו, יצא לחופשה בת מספר שבועות. ב-10 בינואר הורה לפטר את גיבלי מצה"ל, על סמך מסקנות היועץ המשפטי לממשלה. ב-12 בינואר חתמו 150 אנשי רוח, שבמרכזם בכירי המרצים באוניברסיטה העברית, על גילוי דעת נגד סירובו של בן-גוריון לקבל את מסקנות ועדת השבעה ונגד הדרישה להדיח את לבון "מתפקידיו הציבוריים". ב-31 בינואר 1961 הגיש בן-גוריון את התפטרותו לנשיא המדינה.