2月25日淩晨，赫魯曉夫向到會代表做了題為《關於個人崇拜及其後果》的報告，即“秘密報告”。報告中列述了斯大林濫用權力和違反法製的種種表現，斯大林對黨和政府以及軍隊的領導人進行了大規模的清洗，斯大林違背列寧的教導，不遵守黨的集體領導原則，以個人意見代替黨的決議，把自己淩駕於黨之上，斯大林采取一切可能的手段來增加自己的光榮和聲望，從而使對自己的崇拜發展到了可怕的地步……赫魯曉夫說，對斯大林個人崇拜的後果是極其嚴重的，斯大林的錯誤愈到晚年就愈為嚴重。他指出，斯大林有種說法即“愈接近社會主義，敵人就愈多”，斯大林大規模的鎮壓活動正是以這種概念為基礎的。大量犯錯誤的人、和斯大林意見不同的人以及同誌和朋友都是被加上“人民的敵人”這個罪名而遭到鎮壓。赫魯曉夫號召人們揭露和肅清個人崇拜在各個領域中的惡果。
赫魯曉夫的“秘密報告”在代表中產生了極為強烈的反響。這個報告被蘇共二十大一致通過。
但是，赫魯曉夫的秘密報告以及他提出的一係列新觀點和新方針加劇了領導層中的矛盾和衝突。1956年6月1日，莫洛托夫“辭去”外交部長的職務。二十大後，東歐爆發了波蘭事件和匈牙利事件，帝國主義掀起反蘇反共惡浪。馬林科夫、莫洛托夫、卡岡諾維奇等則抓住這一形勢，趁赫魯曉夫出訪芬蘭之機，策劃了一次反赫魯曉夫的行動。
1957年6月18日，赫魯曉夫一回國就在蘇共主席團特別會議上遭到圍攻。莫洛托夫、馬林科夫、卡岡諾維奇、布爾加寧等紛紛揭露和譴責赫魯曉夫在內外政策上的一係列“錯誤”言行。他們要求重新考慮二十大的路線和對外政策，撤掉赫魯曉夫第一書記職務。會議表決結果是7票讚成，3票反對，1票棄權。會議主持人布爾加寧根據表決結果宣布解除赫魯曉夫第一書記的職務。赫魯曉夫奮力反抗，宣稱“我是中央委員會選舉的，也隻有中央委員會才能把我罷免，主席團的決定無效”，要求中央全會進行最後表決。後來在6月22日舉行的中央全會上，二十大選出的中央委員大部分支持赫魯曉夫，因此形勢大變，赫魯曉夫轉敗為勝，相反全會通過了《關於揭發馬林科夫、卡岡諾維奇、莫洛托夫反黨集團的決議》。
之後，馬林科夫等三人分別被撤銷職務，馬林科夫被派往哈薩克斯坦任一家電廠廠長，卡岡諾維奇被派往烏拉爾山區一家水泥廠做廠長，隻有莫洛托夫下場稍好，被派任駐蒙古人民共和國大使。
1958年3月，最高蘇維埃主席團宣布布爾加寧曾參加以莫洛托夫為首的“反黨集團”，解除其部長會議主席職務，這一職務由赫魯曉夫兼任。至此，赫魯曉夫終於集黨政最高職務於一身，登上了權力的頂峰。1960年5月5日，伏羅希洛夫“因健康情況不佳”辭去最高蘇維埃主席團主席之職，在赫魯曉夫建議下，選舉勃列日涅夫繼任此項職務。至此，斯大林時期的主要領導人都被排除出蘇聯黨政最高決策機關。
赫魯曉夫上台後，順應曆史潮流，對斯大林時期的方針政策和政治經濟體製進行了調整和改革。
赫魯曉夫首先正本清源，從批判個人崇拜，加強社會主義民主和法製建設入手，果斷地提出隻有批判個人崇拜，打破對斯大林的個人迷信，才能解放思想，衝破僵化模式，改革同生產力發展不相適應的生產關係和上層建築，才能把社會主義建設事業推向前進。
1961年10月，斯大林的靈柩從列寧墓中遷出，移葬在克裏姆林宮牆下，全國到處拆毀斯大林紀念像和紀念碑，斯大林格勒也更名為伏爾加格勒。
在進行司法體製改革中，還對斯大林時期的大量冤假錯案進行平反昭雪，恢複名譽的達幾萬人。就連李可夫、布哈林這樣的大案要案也查了個水落石出。赫魯曉夫原準備給他們平反，但因受製於國內外的壓力而被迫放棄了這一行動。
在政治改革的同時，赫魯曉夫對蘇聯經濟也進行了廣泛的改革和調整。蘇聯的科學技術也取得了相當的進步。首先，過去遭到禁止的一些科學領域，如控製論、遺傳學、社會學、資本主義政治經濟學等獲得了比較迅速的發展。其次，高精尖科學技術的發展也引人注目。例如在物理學，尤其是核物理學領域所取得的成就是巨大的。這方麵最突出的成就是1957年8月蘇聯第一枚洲際導彈發射成功，同年10月第一顆人造地球衛星上天，1959年第一艘原子能破冰船下水，1961年4月“東方一號”宇宙載人飛船發射成功等。這一切不僅表明核物理學和控製論發展的高水平，而且也表明了科學技術整個發展的高水平。
赫魯曉夫在任九年多，政績不小，失誤也不少。他平易近人，少有那些大政治家的矜持，性情莽撞甚至粗魯。有一次在聯合國大廳發言，講到激憤處，居然在眾目睽睽之下脫下皮鞋猛敲桌子。