Da han kom tilbake til Moskva, ble han på nytt medlem uten stemmerett i politbyrået. Han fikk i oppgave å overvåke forsvarsindustrien, Sovjetunionens romprogram og Bajkonur, tungindustri og kapitalbygging. På dette tidspunktet var han blant Khrusjtsjovs mest betrodde medarbeidere, og støttet ham da Malenkov og eldre stalinister forsøkte å velte ham i juni 1957. Heretter ble Bresjnev medlem med stemmerett i politbyrået. Han ble andresekretær i sentralkomiteen i 1959 og formann i presidentskapet i Det øverste sovjet i mai 1960. Dette gjorde ham til offisielt statsoverhode, men den reelle makten lå fortsatt hos generalsekretær Khrusjtsjov i kommunistpartiet.