После смерти Сталина в марте 1953, когда имя его преемника ещё до конца не определилось, численность Президиума ЦК была сокращена, и Брежнев уже в него не вошёл. В качестве компенсации его назначили начальником политуправления армии и флота в звании генерал-лейтенанта. Эта должность была очень важной. Этим своим продвижением Брежнев, по-видимому, был обязан всё тому же своему наставнику, Хрущеву. Тот в это время сменил Сталина на посту главы партии, и, подобно своему предшественнику, сконцентрировал в этой должности главный центр власти. В 1954 году Брежнев был сделан вторым, а в 1955 – первым секретарём компартии Казахстана – позиция поистине стратегическая. Первым секретарем компартии Казахстана был назначен Пантелеймон Кондратьевич Пономаренко, вторым – Л. И. Брежнев. Известно, что незадолго до смерти, И. В. Сталин рассматривал Пономаренко, как преемника и продолжателя своего дела и, очевидно, Н. Хрущев сослал возможного конкурента подальше от Москвы, приставив ему в заместители – приглядывать – своего самого надежного подчиненного. Здесь Леонид Ильич принимал активнейшее участие в одной из самых масштабных кампаний тех лет – освоении целины, а также в подготовке строительства космодрома Байконур. Размеры территории, на которой должны были начаться сельскохозяйственные работы, составляли 1300 на 900 километров, площадь распаханных полей должны была превысить территорию Англии. За два года работ на целине в Северный Казахстан приехали работать миллионы специалистов из России и с Украины, сотни тысяч из них остались жить в Казахстане навсегда. Благодаря освоению целины в середине пятидесятых доля русского населения здесь составляет до 60 % от общей численности населения, что обуславливает политическую и культурную интеграцию Казахстана и России после распада СССР.
29 апреля 1957 года Указом ПВС КазССР награждён медалью № 733535 «За освоение целинных земель». Участвует в подготовке строительства «Научно-исследовательского испытательного полигона № 5» Министерства обороны СССР.
В 1956 году пробил звездный час целины, республика продала государству миллиард пудов зерна, Л. Брежнев отчитался съезду партии о выполненной работе и был переведен на работу в Москву, в ЦК КПСС.
Будучи первым секретарём ЦК КП Казахстана, Л. И. Брежнев участвовал в решении вопросов строительства «Научно-исследовательского испытательного полигона № 5» Министерства обороны СССР (космодрома Байконур), ознакамливался с ходом работ по возведению стартовых комплексов. Он писал: «Специалисты хорошо понимали: быстрее, проще, дешевле было бы обосноваться на Чёрных землях. Здесь и железная дорога, и шоссе, и вода, и электроэнергия, весь район обжитой, да и климат не такой суровый, как в Казахстане. Так что у кавказского варианта было немало сторонников. Много пришлось мне в то время изучить документов, проектов, справок, обсудить всё это