Главные события, сделавшие съезд знаменитым, произошли в последний день работы, 25 февраля 1956, на закрытом утреннем заседании. Здесь все было необычно – и время проведения (после пленума ЦК по избранию руководящих органов партии, которым обыкновенно закрывались партийные форумы), и закрытый характер заседания (без присутствия приглашенных на съезд представителей зарубежных коммунистических партий), и порядок ведения (руководил заседанием Президиум ЦК КПСС, а не избранный делегатами рабочий президиум). Необычен был и сделанный Хрущевым секретный доклад О культе личности и его последствиях. В нем была сказана правда о недавнем прошлом страны, с перечислением многочисленных фактов преступлений второй половины 1930-х – начала 1950-х, вина за которые возлагалась на Сталина. Как вспоминал один из очевидцев доклада А.Н.Яковлев, «в зале стояла глубокая тишина. Не слышно было ни скрипа кресел, ни кашля, ни шепота. Никто не смотрел друг на друга – то ли от неожиданности случившегося, то ли от смятения и страха. Шок был невообразимо глубоким». После окончания выступления председательствовавший на заседании Н.А.Булганин предложил прений по докладу не открывать и вопросов не задавать. Делегаты приняли два постановления – с одобрением положений доклада и
Вопрос об отношении к наследию Сталина начал обсуждаться в партийно-государственном руководстве страны задолго до ХХ съезда КПСС в связи с начавшимся процессом реабилитации жертв репрессий. В 1954 – начале 1956 члены Президиума ЦК КПСС утвердили сотни реабилитационных решений. Однако В.М.Молотов, К.Е.Ворошилов, Л.М.Каганович, в меньшей степени Г.М.Маленков, более других работавшие со Сталиным и причастные к преступлениям, выступили оппонентами Хрущева. Они предвидели, что публичное осуждение произвола Сталина неизбежно дискредитирует их, поставит вопрос об их личной ответственности, будет воспринято многими как призыв к демократизации общества и восстановлению свободомыслия. Наиболее остро это противостояние выявилось на заседаниях Президиума ЦК КПСС 5 ноября и 31 декабря 1955, 1 и 9 февраля 1956. Но большинство Президиума ЦК поддержало официального лидера партии. Как позднее писал А.И.Микоян, о репрессиях лучше было рассказать самим руководителям партии и не ждать, когда за это возьмется кто-либо другой.
Доклад Хрущева на ХХ съезде КПСС дал старт публичной критике сталинизма. Ее масштабы и глубина оказались опаснее, нежели ожидали сами партийные руководители. Уже через месяц Президиум ЦК КПСС вынужден был принять меры, направленные на ограничение критических выступлений коммунистов. Они зафиксированы в постановлении Президиума ЦК КПСС от 30 июня 1956 О преодолении культа личности и его последствий, в котором критическое отношение к сталинскому наследию сформулировано гораздо осторожнее и менее остро, чем в докладе на съезде.
Историческое значение съезда ХХ съезда КПСС заключается в осуждении сталинизма. Прямым следствием решений съезда явилась определенная либерализация общественно-политической жизни страны (так называемая «оттепель»).