Pese a las divergencias entre las diferentes facciones que cohabitaban en el politburó, en la sesión de clausura de la noche del 25 de febrero el nuevo dirigente Nikita Jrushchov realizó su famoso "Discurso Secreto" en el cual denunció a Stalin por haber violado las normas acerca del liderazgo colectivo, la represión contra los Viejos Bolcheviques, la represión contra los delegados del XVII Congreso por haber apoyado a Serguéi Kírov, el culto a la personalidad desarrollado en torno a su persona y la exageración de su rol en la Gran Guerra Patriótica, entre otras denuncias.
Este acto provocó una gran conmoción en la sesión (a la cual no se permitió la presencia de los invitados extranjeros), y después de un mes de deliberaciones, se decidió hacer público buena parte del contenido a los ciudadanos de la URSS, aunque solo con la perestroika se vino a conocer el contenido completo del discurso.
El principal resultado del XX Congreso fue permitir que la sociedad soviética comenzara el proceso de desestalinización, por el cual varios miles de individuos que poblaban el Gulag, los centros de detención y otros centros de represión fueran liberados, en lo que se conoció como el Deshielo de Jrushchov.
Gracias a este proceso, personajes como Aleksandr Solzhenitsyn entre otros, pudieron recuperar su libertad.
Las decisiones tomadas por el Congreso significaron un giro en la política social del PCUS que condujo a varias medidas de índole social y política.