В 1955 г. в ЦК партии было направлено письмо с призывом покончить с лысенковщиной. Это письмо подписали 297 ученых-биологов, сопроводительное письмо к нему подготовили член-корреспондент АН СССР П. А. Баранов и академик Н. П. Дубинин. Кроме того, в ЦК было передано письмо 24 крупнейших учёных страны, работавших в области физики, химии и экономики (среди подписавших это письмо были П. Л. Капица, А. Д. Сахаров, И. Е. Тамм, Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, М. А. Лаврентьев, В. Л. Гинзбург, Л. Д. Ландау, Г. Н. Флеров, Е. С. Варга и другие). В результате произошла смена руководства Отделением биологических наук АН СССР. Новому секретарю отделения В. А. Энгельгардту было предложено ликвидировать отставание в важнейших областях экспериментальной науки.
В Отделении биологических наук были проведены важные организационные мероприятия, в том числе направленные на реорганизацию старых лабораторий и институтов и создание новых, среди которых следует отметить Институт радиационной и физико-химической биологии (ныне Институт молекулярной биологии) АН СССР, Институт химии природных соединений (ныне Институт биоорганической химии им. М. М. Шемякина) АН СССР. Ряд лабораторий был создан в других отделениях АН СССР, а также в Институте атомной энергии. Поддержку генетическим исследованиям решительно оказывало руководство Сибирского отделения АН СССР (в 1957 г. начал создаваться Академгородок).
Однако и на этом этапе истории лысенковщины продолжал действовать ряд факторов, которые в 30–40-х гг. привели к возникновению «феномена Лысенко». Политические и социальные условия изменились, но широкое внедрение сторонников Лысенко в административно-государственный аппарат, в учреждения науки и высшей школы привело к появлению определенных сил, заинтересованных в сохранении лысенковщины. Среди тех, кто боролся против лысенковщины, наиболее важными были группы учёных, представлявших фундаментальную и академическую науку, а также игравших весомую роль в развитии атомных, космических и оборонных комплексов в нашей стране.
В этой ситуации решающей для сохранения позиций Лысенко оказалась поддержка Н. С. Хрущева. В декабре 1958 г. в «Правде» была помещена критическая статья в адрес «Ботанического журнала» и в защиту Лысенко. Эта статья предшествовала критическим замечаниям, сделанным Хрущевым в адрес противников Лысенко. В результате 20 января 1959 г. Несмеянов, Топчиев и Энгельгардт на заседании Президиума АН СССР вынуждены были заявить, что они недооценили мичуринскую биологию, и обещали принять меры к исправлению сделанных ошибок. Энгельгардт был заменён на посту академика-секретаря Отделения биологических наук Н. М. Сисакяном, поддерживавшим Лысенко.
Однако сопротивление Лысенко и его сторонникам продолжало нарастать, несмотря на поддержку руководства. В партийных документах хотя и высказывалась поддержка линии Лысенко, но были введены указания на значение физики и химии для развития биологии. Двойственной была и позиция Хрущева: поддерживая Лысенко, он вынужден был поддерживать и его противников, поскольку очень уж явными были негативные последствия лысенковщины. Так, у Хрущева получил поддержку репрессированный в годы культа личности учёный, крупнейший специалист по кукурузе Н. Н. Кулешов.
Академия наук СССР продолжала оказывать поддержку институтам и лабораториям, развивавшим исследования в области экспериментальной биологии. Особенно энергично это делались в Сибирском отделении АН СССР, затем в научном комплексе в Пущино, позднее в Межфакультетской лаборатории молекулярной биологии и биоорганической химии им. А. Н. Белозерского в МГУ. Большую роль в этом сыграл А. Н. Несмеянов, подвергавшийся за это все более сильному давлению со стороны Лысенко, что сыграло определённую роль в смещении Несмеянова с поста президента АН СССР в 1961 г.
Однако в Академии наук СССР, в других организациях продолжало укрепляться понимание того, что Лысенко наносит огромный вред советской науке, сельскому хозяйству, экономике. Необходимо отметить также, что в среде советских философов нашлись силы, которые взяли на себя нелёгкий труд по разработке научных философских и методологических проблем современной биологии, прежде всего генетики. Наиболее видную роль в этом сыграли труды И. Т. Фролова, активно выступившего в конце 50-х гг. против лженаучного философствования, распространенного вокруг работ Лысенко. Его исследования в этой области суммированы в книге «Философия и история генетики. Поиски и дискуссии», вышедшей в 1988 г. в издательстве «Наука».