Академию наук СССР в эти годы возглавляли замечательные ученые и организаторы — основатель научной школы по химии элементоорганических соединений А. Н. Несмеянов (1951–1961), математик и механик, руководитель ряда советских космических программ М. В. Келдыш (1961–1975). Позднее президентами избирались один из основателей отечественной ядерной энергетики А. П. Александров (1975–1986), математик и физик Г. И. Марчук (1986–1991). С 1991 г. во главе Российской академии наук стоит математик и механик Ю. С. Осипов.
В 50-е — первой половине 60-х гг. произошло существенное количественное и территориальное расширение сети научно-исследовательских институтов. Только в системе Академии наук СССР за 1956–1958 гг. было организовано 48 НИИ. В 1957 г. был основан Новосибирский академгородок, занявший ведущие позиции в области прикладной математики и физики. Одновременно было создано Сибирское отделение Академии наук с Дальневосточным, Западно-Сибирским и Восточно-Сибирским филиалами, возникли научно-исследовательские институты в Красноярске и на Сахалине.
Приоритет в научных разработках в 50-е гг., как и в 40-е, отдавался интересам ВПК. С его нуждами во многом связали свою работу выдающиеся ученые И. В. Курчатов, С. П. Королев, М. В. Келдыш, Ю. Б. Харитон, А. Д. Сахаров, конструкторы А. Н. Туполев, В. П. Глушко, П. Д. Грушин, Н. А. Пилюгин, В. Н. Челомей, М. К. Янгель и др.
Крупнейшими достижениями науки и техники того времени стали: создание турбореактивного пассажирского лайнера Ту-104 (1955), запуск самого мощного в мире синхрофазотрона (1957); испытание на космодроме Байконур 21 августа 1957 г. ракеты межконтинентальной дальности Р-7, позволившей осуществить запуск в космос искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.); спуск на воду атомного ледокола «Ленин» (конец 1957 г.); ходовые испытания атомной подводной лодки (июль 1958 г.); создание в 1959 г. первой отечественной крылатой ракеты, стартующей с подводной лодки (генеральный конструктор В. Н. Челомей); полет Ю. А. Гагарина в космос (12 апреля 1961 г.); осуществление 30 октября 1961 г. беспрецедентного по мощности (50 мегатонн) взрыва водородной бомбы над Новой Землей (испытанием доказана возможность конструировать на основе предложенного принципа заряда практически неограниченной мощности); создание системы залпового огня «Град» (1962); запуск в 1962 г. маневрирующего автоматического искусственного спутника Земли серии «Полет» — прототипа перехватчиков искусственных спутников; пуск Белоярской и Ново-Воронежскской АЭС (1963); вывод на орбиту первого многоместного космического корабля «Восход-1» с космонавтами В. М. Комаровым, К. П. Феоктистовым и Б. Б. Егоровым (1964).
Прокладывание новых путей в будущее было связано с огромным риском. 29 сентября 1957 г. на химкомбинате, расположенном неподалеку от станции Муслюмово Южно-Уральской железной дороги (ныне производственное объединение «Маяк»), произошел взрыв емкости с радиоактивными отходами. После него возник так называемый восточноуральский радиоактивный след, загрязнивший около 23 тыс. кв. км Челябинской, Свердловской и Тюменской областей, облучены около 300 тыс. человек. Радиоактивное заражение реки Течи до сих пор вызывает у окрестных жителей разных поколений болезни и генетические мутации. 24 октября 1960 г. во время подготовки к запуску на одной из площадок Байконура новой ракеты Р-16, созданной в конструкторском бюро М. К. Янгеля, произошел взрыв, унесший жизни десятков людей. Среди погибших был главнокомандующий ракетными войсками маршал М. И. Неделин. Засушливым летом 1967 г. озеро Карачай, куда многие годы сливались отходы производства химкомбината «Маяк», обмелело. Радиоактивная пыль с высушенных солнцем берегов озера была разнесена ветром почти на 2 тыс. км. В этот раз пострадало 400 тыс. человек, а жители 42 населенных пунктов были эвакуированы. В дождливые годы Карачай переполняется, создавая опасность попадания отравленных вод в общую гидросистему края.