Nel 1956, l'anno più difficile per il Partito comunista dal dopoguerra, lasciò la Fgci e, con l'VIII congresso nazionale uscì anche dalla direzione dove era approdato nel gennaio 1948.
Nel 1957 divenne responsabile dell'Istituto di studi comunisti. Dopo una breve parentesi trascorsa in Sardegna, tornò a far parte degli organismi centrali, entrando nell'organico dell'ufficio di segreteria nel luglio 1958. Nel 1960, all'età di 38 anni, fu nominato dirigente della sezione di organizzazione, incarico che ricoprì fino al dicembre 1962.
Nel 1960 prese parte alla conferenza mondiale dei partiti comunisti e operai e nel corso del decennio si occupò costantemente del movimento comunista internazionale, partecipando agli incontri consultivi per la preparazione delle successive conferenze. Come delegato della direzione, nell'ottobre 1964 fece il suo primo viaggio a Mosca.
Nel 1966, con l'XI congresso, lasciò la segreteria per entrare a far parte dell'ufficio politico; successivamente fu nominato segretario regionale per il Lazio, incarico che mantenne fino al 1969. Vice segretario del Pci dal XII congresso tenutosi nel febbraio 1969, Berlinguer subentrò a Longo con il XIII congresso nel marzo 1972. Consapevole degli esiti distruttivi delle spaccature che si andavano generando nel mondo politico come nella società civile, dopo il colpo di stato in Cile avviò una lenta opera di sensibilizzazione nei confronti della base e di altre formazioni politiche sulla necessità di allargare il raggio d'azione del partito, di stringere nuove alleanze, di farsi promotore di una vera via democratica al socialismo. Sul piano internazionale, Berlinguer promuoveva una politica di avvicinamento tra i partiti italiano, francese e spagnolo, meglio nota come "eurocomunismo", procedendo parallelamente nella costruzione di solide relazioni con le socialdemocrazie europee. Mentre le relazioni internazionali si complicavano a seguito dell'irrigidimento del Pcf, della crisi sovietica, dell'intervento in Afghanistan e dei fatti polacchi; sul piano della politica interna, dopo il breve esperimento dei governi di solidarietà nazionale, l'asse di governo tornò a quella alleanza tra Dc e Psi che aveva caratterizzato gli anni Sessanta. L'omicidio Moro, la scoperta della Loggia P2, la sconfitta del movimento sindacale, le prime inchieste sui finanziamenti illeciti, scossero la società civile e incrinarono irreversibilmente un intero sistema politico. Il Pci, che aveva sostenuto la linea della fermezza e dello Stato ed era entrato a far parte dell'area di governo, nel gennaio 1979 tornò al suo tradizionale ruolo di partito d'opposizione. Da sempre attento alle esigenze della società - donne, giovani, gruppi di estrema sinistra, operai -, Berlinguer tentò di rinsaldare il rapporto di fiducia che continuava a legarlo alle masse italiane nonostante il sensibile calo dei voti registrato tra il 1976 e il 1979. Il suo archivio testimonia una continua e negli ultimi anni quasi ossessiva attenzione ai problemi economici e alle conseguenze di questi sulle condizioni di vita dei lavoratori. Convinto che la classe operaia costituisse ancora un interlocutore reale con specifiche caratteristiche sociali e culturali, Berlinguer si fece strenuo difensore della libertà e del diritto di contrattazione, opponendosi alle scelte del governo Craxi. Il decreto sulla scala mobile rappresentò l'ultima grande battaglia nazionale di Enrico Berlinguer. L'11 giugno 1984 Berlinguer moriva dopo essere stato colto da emorragia cerebrale, nel corso di un comizio a Padova.