Tras estas posiciones, Biriuzov fue nombrado Jefe de la Misión Militar Soviética en Bulgaria, hasta 1947. Entre ese año y 1955 ocupó numerosos puestos de mando, pero nunca permaneció mucho tiempo en ninguno. El 11 de marzo de 1955 fue ascendido a Mariscal de la Unión Soviética. Entre ese año y abril de 1962 fue Comandante en Jefe de las Fuerzas aéreas soviéticas. Tras este puesto, fue nombrado comandante en jefe de las Tropas de Misiles Estratégicos y en 1963 jefe del Estado Mayor de las Fuerzas Armadas. El 19 de octubre de 1964, Biriuzov falleció en un accidente aéreo, al estrellarse el avión en el que viajaba en el monte Avala cerca de Belgrado, donde se desplazaba con motivo de la conmemoración del 20º aniversario de la Liberación de Belgrado. En la expedición viajaba también el general Vladímir Zhdánov. Fue enterrado en Necrópolis de la Muralla del Kremlin.