ไม่นานให้นานฟิเดลได้มาเป็นผู้บัญชาการทหารสูงสุดของกองทัพและนายกรัฐมนตรีตามลำดับ การพัวพันในการล้มบาติสตา เช่นเดียวกับการต้องสงสัยความสัมพันธ์กับผู้นำโซเวียต นิกิตา ครุสชอฟ ทำให้สหรัฐอเมริกาตื่นตระหนก ซีไอเอได้จัดการรุกรานอ่าวหมูใน ค.ศ. 1961 เพื่อล้มรัฐบาลของเขา แต่ล้มเหลว ก่อนเดินหน้าบงการความพยายามลอบสังหารเขาซ้ำอีกและปิดกั้นทางเศรษฐกิจต่อคิวบา เพื่อสนองภัยคุกคามนี้ กัสโตรสร้างพันธมิตรกับสหภาพโซเวียตและอนุญาตให้โซเวียตเก็บอาวุธนิวเคลียร์บนเกาะได้ นำไปสู่เหตุการณ์วิกฤตการณ์ขีปนาวุธคิวบาใน ค.ศ. 1962 โดยรับเอาลัทธิมากซ์-เลนินเป็นอุดมการณ์ชี้นำของเขา ใน ค.ศ. 1961 กัสโตรประกาศลักษณะสังคมนิยมของการปฏิวัติคิวบา และใน ค.ศ. 1965 มาเป็นเลขาธิการใหญ่ของพรรคคอมมิวนิสต์ที่เพิ่งตั้งขึ้น ขณะที่พรรคการเมืองอื่นถูกยุบ จากนั้น เขานำการเปลี่ยนแปลงคิวบาสู่สาธารณรัฐสังคมนิยม ยึดอุตสาหกรรมไปเป็นของรัฐและนำสาธารณสุขถ้วนหน้าและการศึกษาแบบให้เปล่า เช่นเดียวกับปราบปรามการต่อต้านภายใน กัสโตรเป็นผู้สนับสนุนหลักการร่วมมือระหว่างประเทศที่กระตือรือร้น เขาได้ริเริ่มคณะแพทย์คิวบาผู้ซึ่งทำงานทั่วโลกกำลังพัฒนา และช่วยเหลือกลุ่มสังคมนิยมปฏิวัติต่างประเทศหลายกลุ่มด้วยหวังว่าจะโค่นทุนนิยมโลก