Главные события, сделавшие съезд знаменитым, произошли в последний день работы, 25 февраля, на закрытом утреннем заседании. В этот день Н. С. Хрущёв выступил с закрытым докладом «О культе личности и его последствиях», который был посвящён осуждению культа личности И. В. Сталина.
В нём была озвучена новая точка зрения на недавнее прошлое страны, с перечислением многочисленных фактов преступлений второй половины 1930-х — начала 1950-х, вина за которые возлагалась на Сталина. В докладе была также поднята проблема реабилитации партийных и военных деятелей, репрессированных при Сталине.
Несмотря на условную закрытость, доклад был распространён по всем партячейкам страны, причём на ряде предприятий к его обсуждению привлекали и беспартийных; обсуждение доклада велось также в ячейках ВЛКСМ.
Доклад привлёк огромное внимание во всём мире; появились его переводы на различные языки, в том числе распространявшиеся в некоммунистических кругах. В Советском Союзе он был опубликован только в 1989 в журнале «Известия ЦК КПСС».
«Смягчённый» вариант доклада был обнародован в качестве постановления Президиума ЦК КПСС от 30 июня 1956 года под названием «О преодолении культа личности и его последствий», в котором задавались рамки допустимой критики сталинизма.