В ночь с 24 на 25 февраля Хрущев в течение четырех часов зачитывал делегатам «секретный доклад», показывавший развитие и упрочение «культа личности», его проявления и последствия за прошедшие 20 лет. Как и отчетный доклад, «секретный доклад» Хрущева призывал к верности Ленину, а подробно описанная ленинская приверженность принципу коллегиальности служила точкой отсчета и примером, особенно наглядно показывавшим нарушение ленинских традиций Сталиным.
Из «секретного доклада» участники съезда узнали о «завещании» Ленина, существование которого до тех пор отрицалось партией. Доклад анализировал извращение Сталиным принципа демократического централизма, рассказывал о чистках и «незаконных методах следствия», при помощи которых у тысяч коммунистов были вырваны совершенно невероятные признания. Развенчав миф о Сталине как «наследнике» и «гениальном продолжателе» дела Ленина, доклад атаковал и миф о Сталине-»военачальнике», разрушив канонический образ генералиссимуса и воссоздав облик нерешительного и некомпетентного человека, ответственного за сокрушительные поражения 1941 — 1942 гг. Доклад также показал ответственность Сталина за депортацию кавказских народов, огульно обвиненных в сотрудничестве с немцами, за конфликт с Тито, фабрикацию фальшивых заговоров в 1948 г. («ленинградское дело»), 1951 г. («мингрельское дело») и 1953 г. («дело врачей–убийц»). Доклад Хрущева рисовал новый образ Сталина — образ тирана, день за днем создававшего свой культ, образ некомпетентного, не желавшего никого слушать диктатора, «оторванного от народа» и ответственного за катастрофическое экономическое положение страны в 1953 г.
Доклад был насыщен деталями, которые шокировали аудиторию, но в то же время ему, безусловно, не хватало четкости, а содержащаяся в нем информация часто была приблизительной и неполной. В целом доклад оказался очень избирательным и поверхностным в осуждении сталинизма и не ставил под вопрос ни один из совершенных партией с 1917 г. поворотов. Выборочный характер проявлялся в том, что начало сталинского «отклонения» от ленинского курса, несмотря на принципиальный конфликт с Лениным еще при жизни последнего, определялось 1934 г., что исключало из числа ошибок и преступлений коллективизацию, голод 1932 — 1933 гг. и крайности, связанные с индустриализацией. О том же свидетельствовал и выбор жертв «культа личности», к которым были отнесены только коммунисты, придерживавшиеся четкой сталинской ориентации, но не оппозиционеры и не простые граждане. Сужая рамки незаконных репрессий до одних только коммунистов, ставших жертвами личной диктатуры Сталина, доклад обходил ключевой вопрос об ответственности перед обществом партии в целом. До сих пор в истории этого доклада еще остается много неясностей, а основным источником являются воспоминания самого Хрущева, требующие максимально осторожного к себе отношения. Тем не менее, даже если Хрущев и склонен преувеличивать свое значение, по всей видимости, он лично действительно сыграл, как это докажут последующие события, решающую роль в разоблачении — выборочном и контролируемом — преступлений Сталина, пойдя на политический риск, определявшийся тем, что подавляющее большинство участников съезда сделали карьеру именно в период «культа личности Сталина».
По словам Хрущева, руководители партии оказались после ареста Берии перед лицом такого количества откровений о деятельности аппарата политической полиции (в очень большой степени автономного и выведенного из‑под контроля «обычных» инстанций партии) и фальсифицированных заговоров, что все они, в том числе Хрущев, пришли к выводу о необходимости получить более полную информацию. С этой целью была организована следственная комиссия, деятельность которой держалась в тайне, во главе с директором Института Маркса — Энгельса — Ленина — Сталина Поспеловым — одним из главных теоретиков партии, отвечавшим за подготовку «Краткого курса истории ВКП(б)» 1938 г. Накануне открытия XX съезда партии комиссия закончила свою работу и представила обширные материалы. Согласно Хрущеву, создание комиссии частью Президиума, прежде всего Молотовым, Ворошиловым и Кагановичем, было встречено без особого энтузиазма. Во время съезда после бурного заседания Президиума при трех голосах против (вышеназванных лиц) Хрущев якобы добился согласия доложить съезду выводы комиссии; свободной дискуссии все же было предпочтено закрытое заседание. В спешке, вызванной принятием решения в самый последний момент, доклад был представлен «рабочим документом», подготовленным Поспеловым, которому было поручено срочно переработать его в выступление. В действительности же доклад (сопровождавшийся досье из 18 неизданных документов, проливавших свет на противостояние Ленина и Сталина), розданный делегатам на вечернем заседании 24 февраля, скорее всего, был подготовлен заранее. Руководство партии было, несомненно, готово пойти дальше речей, зачитанных во время «официальной части» съезда, но продолжало колебаться относительно формы разоблачений. Именно здесь решающую роль сыграла личная инициатива Хрущева. Показательно, что именно ему было поручено прочитать доклад и лично встретить непредсказуемую реакцию участников съезда.