Thant được Đại hội đồng tái bổ nhiệm làm Tổng thư ký Liên Hợp Quốc vào ngày 2 tháng 12 năm 1966, theo tiến cử nhất trí của Hội đồng Bảo an. Nhiệm kỳ của ông tiếp tục đến khi ông nghỉ hưu vào ngày 31 tháng 12 năm 1971. Trong nhiệm kỳ này, ông giám sát quá trình hàng chục quốc gia mới tại châu Á và châu Phi gia nhập Liên Hợp Quốc và là một đối thủ kiên quyết của apartheid tại Nam phi. Ông cũng cho lập nhiều cơ quan, quỹ và chương trình phát triển và môi trường của Liên Hợp Quốc, như Chương trình Phát triển Liên Hợp Quốc (UNDP), Đại học Liên Hợp Quốc, Hội nghị Liên Hợp Quốc về Thương mại và Phát triển, Viện Liên Hợp Quốc về Đào tạo và Nghiên cứu (UNITAR), và Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc. Chiến tranh Sáu Ngày giữa các quốc gia Ả Rập và Israel, Mùa xuân Praha và sau đó là Liên Xô xâm chiếm Tiệp Khắc, và Chiến tranh Ấn Độ–Pakistan 1971 kéo theo khai sinh Bangladesh đều diễn ra trong nhiệm kỳ thứ hai của ông trong vai trò tổng thư ký.