Значительные изменения произошли в области фундаментальной науки. Если прежде усилия учёных были в основном сосредоточены на исследованиях вещества на молекулярном уровне, то теперь изыскания перешли на уровень атома и субатомных частиц. Это позволило сделать новый шаг в понимании природы вещества окружающего мира. Активно велись исследования в области физики (Б. Константинов, П. Капица, А. Логунов и др.), атомной физики (И. Курчатов, А. Александров, Я. Зельдович, А. Сахаров и др.). Советские учёные приблизились к овладению регулируемой термоядерной реакцией (работы Л. Арцимовича, М. Леонтовича). В трудах Н. Семёнова получила разработку и экспериментальное обоснование теория цепных реакций. В 1957 г. был успешно запущен самый мощный в мире синхрофазотрон. СССР являлся лидером в создании и прикладном использовании квантовых генераторов. Советские учёные внесли выдающийся вклад в развитие точных и естественных наук. Нобелевской премии были удостоены основоположник химической физики Н. Семёнов (1956), физики-теоретики П. Черенков, И. Франк, И. Тамм (1958), Л. Ландау (1962), Н. Басов и А. Прохоров (1964) за создание лазера. Значительные успехи были достигнуты в развитии кибернетики (школа академика А. Берга), создании быстродействующих электронных машин (коллектив академика С. Лебедева), исследовании в области полупроводников (школа академика А. Иоффе). Большое значение для развития народного хозяйства имели работы в области автоматики и телемеханики (школа академика В. Трапезникова). Академики Е. и Б. Патоны впервые в мире разработали уникальный метод бесшовной сварки. Активно осваивались и внедрялись химические методы обработки металлов. На основе научных разработок была создана принципиально новая отрасль производства — промышленность полимеров. НТР вносила перемены в повседневную жизнь людей. Автоматизированные системы управления, электронные приборы и новые конструкционные материалы стали активно применяться в создании и оснащении не только новых предприятий, но и жилых домов. Важные открытия были сделаны в области астрономии (О. Шмидт, В. Амбарцумян). Серьёзные успехи были достигнуты советскими медиками. Новые методики лечения были предложены хирургами (А. Вишневский, Б. Петровский, Л. Богуш), кардиологами (А. Бакулев), онкологами (Н. Блохин), офтальмологами (В. Филатов).