23 мая 1957 года был назначен первым заместителем Председателя Госплана СССР, а 4 июля – заместителем Председателя Совета Министров СССР.
В 1957 году был утверждён членом Главного Военного Совета при Совете Обороны СССР, а в июне того же года был избран кандидатом в члены Президиума ЦК КПСС.
Поддержка Никиты Сергеевича Хрущёва на июньском Пленуме 1957 года позволила Косыгину вернуться в кандидаты в члены Президиума ЦК (29 июня 1957 – 4 мая 1960).
31 марта 1958 года был назначен на пост заместителя Председателя Президиума Совета Министров СССР, а 13 октября – председателем комиссии Президиума Совета Министров СССР по вопросам цен.
С 20 марта 1959 по 4 мая 1960 года был председателем Госплана СССР.
В 1959 году был утверждён членом Совета Обороны СССР, 24 марта того же года Косыгин был назначен представителем СССР в Совете Экономической Взаимопомощи (СЭВ), а 13 августа 1959 года был освобождён от обязанностей председателя комиссии Президиума Совета Министров СССР по вопросам цен.
4 мая 1960 года был избран членом Президиума ЦК КПСС и на последующих съездах и пленумах ЦК избирался членом ЦК и членом Политбюро ЦК КПСС.
С 4 мая 1960 года занимал пост первого заместителя председателя Совета Министров СССР.
28 апреля 1962 года был утверждён членом Президиума Совета Министров СССР.
20 февраля 1964 года «за большие заслуги перед Коммунистической партией и Советским государством в коммунистическом строительстве» а также в связи с 60-летием со дня рождения А. Н. Косыгину было присвоено звание Героя Социалистического Труда.
На заседании Президиума ЦК КПСС, проходившего 13–14 октября 1964 года, когда обсуждался вопрос о снятии Н. С. Хрущёва, Алексей Косыгин назвал стиль правления Хрущёва «не ленинским» и поддержал группу, выступавшую за его смещение.
С 15 октября 1964 Косыгин – Председатель Совета Министров СССР. Находясь на посту председателя Совета Министров СССР, добивался проведения экономических реформ, изложенных им в докладе об улучшении управления промышленностью, совершенствовании планирования и усилении экономического стимулирования промышленного производства на Пленуме ЦК КПСС, проходившем в сентябре 1965 года. Суть этих реформ была в децентрализации народнохозяйственного планирования, повышении роли интегральных показателей экономической эффективности (прибыль, рентабельность) и увеличении самостоятельности предприятий.
Восьмая пятилетка (1966–1970), прошедшая под знаком экономических реформ Косыгина, стала самой успешной в советской истории и получила название «золотой».
