Possokhine devient l’architecte en chef de Moscou en 1960 et restera à ce poste jusqu'en 1982. Il rejoint les rangs du PCUS en 1961. On lui attribue le prix Lenine pour le projet du Palais d'État du Kremlin en 1962. Son Pavillon Moscou conçu pour l'Exposition universelle de 1967 de Montréal, sera reconstruit sur le territoire du Centre panrusse des expositions. Pour l'Exposition universelle de 1970 se déroulant au Japon, il élève le pavillon de l'Union soviétique jusqu'à 110 mètres de haut et lui confère la forme de drapeau. Couvert de panneaux métalliques rouges et surplombé de faucille et marteau l'édifice domine l'exposition. L'un de ses importants projets fut la construction du siège du Département de la Défense, rue Znamenka dans le district administratif central de la capitale en 1979-1987. Son projet d’aménagement de la partie sud de Troparevo-Nikoulino lui apporte le prix d'État de l'URSS en 1980. Il signe aussi le projet de la Olimpiisky Indoor Arena inaugurée en 1980 et celui de l'Ambassade de Russie aux États-Unis dont la construction s'étale entre 1979 et 1985.