С февраля 1934 г. руководитель группы планирования и учета Комиссии советского контроля (КСК) при СНК СССР. В 1934–1939 гг. член КСК (в мае 1938 г. – марте 1939 г. член бюро КСК). В феврале – марте 1935 г. уполномоченный КСК в г. Сталино (ныне Донецк).
После убийства С.М. Кирова и последовавшей за этим чистки партийно-хозяйственных кадров Вознесенский в 1935 был переведен в Ленинград, где был назначен председателем городского комитета по планированию. Одновременно в июне- ноябре 1937 – заместитель председателя Ленинградского горисполкома. Взлет его головокружительной карьеры начался в 1937, когда в ходе ежовских чисток погибла большая часть хозяйственных руководителей СССР.
С января 1938 г. по март 1941 г. председатель Госплана СССР, одновременно с апреля 1939 г. заместитель Председателя СНК СССР. С 19.01.1938 председатель Госплана СССР. Выдвиженец А. А. Жданова, который предложил его кандидатуру И. В. Сталину вместо арестованного В. И. Межлаука. Очень понравился И. В. Сталину. Спустя короткое время он назначил его своим первым заместителем по экономическим вопросам в Совнаркоме, выше В. М. Молотова и А. И. Микояна.
По словам А. И. Микояна, как только И. В. Сталин начал его возносить, амбициозность Н. А. Вознесенского начала возрастать, он стал проявлять высокомерие по отношению к коллегам: «Вознесенский не имел опыта управления хозяйством, он никогда не был ни директором завода, ни секретарем обкома, ни наркомом. Поэтому стиль его работы был несколько канцелярским, бумажным. Для него имел большую силу план. Он недостаточно понимал, что мало принять даже очень хороший план, что главное обеспечить его выполнение» (Микоян А. И. Так было. М., 1999. С. 423).
С 4 апреля 1939 года заместитель, с 10 марта 1941 года 1-й заместитель председателя Совнаркома СССР. На этой должности он, как указывает д-р ист. наук О. В. Хлевнюк, «выполнял основную часть работы в правительстве».
Одновременно с апр. 1939 по март 1941 Вознесенский был зам. пред. СНК СССР. В марте 1939 избран членом ЦК БКП (б), а 21.2.1941 введен кандидатом в члены в состав Политбюро ЦК.
По его предложению в последние предвоенные годы был резко увеличен объем капитальных вложений в оборонную промышленность на востоке СССР. 10.3.1941 Вознесенский стал единственным 1-м зам. пред. СНК СССР, а после того как с началом Великой Отечественной войны председателем СНК стал И.В.Сталин, Вознесенский остался его главным помощником по руководству хозяйством страны. Лишь в 1942 была создана вторая должность 1-го зам. пред. СНК (ее занял В.М.Молотов). В феврале 1942 – сентябре 1945 входил в состав Государственного комитета обороны. Одновременно с декабря 1942 по январь 1948 являлся пред. Госплана при СНК (Совете министров) СССР.
При Вознесенском Госплан превратился в один из важнейших, если не самых важных, органов управления народным хозяйством. Фактически Вознесенский стал диктатором экономики СССР. В марте 1946 с созданием Совета министров СССР Вознесенский остался в его составе в должности заместителя председателя. В 1946 избран депутатом Верховного Совета СССР. 26.2.1947 переведен из кандидатов в члены Политбюро ЦК. Одновременно с янв. 1948 являлся пред. Государственного планового комитета СССР.
Автор