Với phẩm chất và năng lực đã được khẳng định, ngày 11/7/1950, Chủ tịch Hồ Chí Minh ký Sắc lệnh 122/SL, điều động và bổ nhiệm đồng chí Nguyễn Chí Thanh giữ chức Chủ nhiệm Tổng cục Chính trị Bộ Tổng tư lệnh Quân đội nhân dân Việt Nam.
Trong thời gian đảm nhận chức vụ này, đồng chí Nguyễn Chí Thanh đã để lại dấu ấn cực kỳ quan trọng: Đề xuất thay thế chế độ Chính ủy tối hậu quyết định (được áp dụng từ tháng 8/1949) bằng chế độ Đảng ủy, đây là một thành công lớn, ghi dấu ấn quan trọng của Nguyễn Chí Thanh, phù hợp với đặc điểm và bản chất cách mạng của quân đội ta. Đồng chí Nguyễn Chí Thanh còn là người đi đầu trong việc chấn chỉnh, đưa hoạt động công tác đảng, công tác chính trị trong quân đội vào nề nếp, thật sự "là linh hồn và mạch sống của Quân đội nhân dân Việt Nam". Năm nguyên tắc, sáu phương pháp lãnh đạo tư tưởng ông đề ra đến nay vẫn còn nguyên giá trị.
Ngày 31/8/1959, Chủ tịch Hồ Chí Minh ký Sắc lệnh số 36/SL phong quân hàm cấp tướng cho 16 sĩ quan quân đội, trong đó Nguyễn Chí Thanh được phong quân hàm Đại tướng (vị Đại tướng thứ hai).
Năm 1964, khi cuộc kháng chiến chống Mỹ, cứu nước bước vào giai đoạn quyết liệt, Đại tướng Nguyễn Chí Thanh được Đảng điều vào miền Nam cùng Trung ương Cục chỉ đạo phát triển chiến tranh nhân dân, xây dựng lực lượng vũ trang nhân dân, trực tiếp lãnh đạo cuộc chiến đấu chống Mỹ xâm lược ở miền Nam.
Đầu năm 1965, Đại tướng Nguyễn Chí Thanh triệu tập Hội nghị Trung ương Cục đưa ra những quyết sách đột phá để thực hiện nhiệm vụ chiến lược của cách mạng miền Nam trong tình hình mới. Đại tướng trực tiếp vạch đường lối với quyết tâm đánh thắng hoàn toàn giặc Mỹ xâm lược cho quân và dân ta trên chiến trường, dựa trên phân tích: Mỹ vào miền Nam trong thế thua, thế bị động về chiến lược, Mỹ có cả một đống vũ khí nhưng lại vấp phải cả một đống mâu thuẫn. Mỹ tỷ phú về đô la, nhưng quân và dân ta lại tỷ phú về chủ nghĩa anh hùng cách mạng, có đường lối chiến tranh, chiến thuật đúng, bắt Mỹ phải đánh theo cách đánh của ta, chúng bị tréo giò như "ăn cháo bằng dĩa" nên ta nhất định thắng.
Theo Đại tướng, kiên quyết đánh Mỹ, kiên quyết tiến công sẽ tìm ra cách đánh. Những trận thắng liên tục và giòn giã: Bình Giã, Ba Gia, Đồng Xoài…, tạo tiền đề cho phong trào “Nắm lấy thắt lưng địch mà đánh”, “Tìm Mỹ mà đánh, tìm ngụy mà diệt”... đã làm nức lòng đồng bào, chiến sĩ cả nước, từng bước phá sản chiến lược “Chiến tranh đặc biệt” của Mỹ. Nhờ chiến thuật và cách đánh sáng tạo, độc đáo, quân ta đã chống được ý đồ “phân tuyến” của Mỹ - ngụy, hạn chế đến mức tối đa hỏa lực của địch. Từ đó, hình thành nên những “vành đai diệt Mỹ” ở khắp nơi, từ Củ Chi, Chu Lai, Minh Đức rồi Rạch Kiến… Ở đâu có quân Mỹ thì ở đó có vành đai diệt Mỹ. Mỹ lập vành đai an toàn thì ta lập vành đai du kích khóa chặt Mỹ lại mà đánh; đánh Mỹ mọi lúc, mọi nơi, đánh bằng mọi cách, với mọi vũ khí có trong tay; đánh Mỹ với quyết tâm giặc đến nhà đàn bà, con trẻ đều đánh.
Thời gian này, với tư duy và lý luận quân sự nhạy bén, hàng loạt bài viết của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh với các bút danh: Trường Sơn, Người quan sát, S.K.Z… từ chiến trường miền Nam gửi ra Bắc như: “Chuẩn bị đập tan âm mưu Mỹ”; “Ai thắng ai”; “Hoan hô chiến thắng Plâycu, Bình Giã, Phú Mỹ, Quảng Nam”; “Phát huy cao độ chủ nghĩa anh hùng cách mạng quyết thắng giặc Mỹ”; “Đập tan âm mưu chiến lược của Giôn xơn ở miền Nam”... Không chỉ phân tích sâu sắc tình hình và cục diện chiến trường miền Nam với cách nhìn “trong cuộc” của một nhà quân sự tài ba, mà còn khẳng định quyết tâm đánh thắng giặc Mỹ xâm lược của Nhân dân miền Nam.
Thực tế chiến trường và những thắng lợi của quân và dân miền Nam trong các chiến dịch mùa khô 1965-1966 và 1966-1967, đã tạo chuyển biến căn bản, đột phá, làm cho Mỹ và quân đội Sài Gòn ngày càng lúng túng, đưa cách mạng miền Nam đứng trước những thời cơ mới. Thực tiễn chiến trường miền Nam những tháng năm đánh Mỹ và thắng Mỹ đã chứng minh tư duy quân sự của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh. Cuối năm 1965, Nghị quyết Hội nghị lần thứ 12 Ban Chấp hành Trung ương Đảng (khóa III), về quyết tâm đánh thắng giặc Mỹ xâm lược được thông qua có sự đóng góp to lớn của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh.
Tài năng quân sự đặc biệt của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh còn thể hiện ở chủ trương mở rộng hoạt động kháng chiến lên Tây Nguyên. Thực tế đã chứng minh tư tưởng chỉ đạo này là rất đúng đắn. Mặt trận Tây Nguyên được mở, không chỉ góp phần chia lửa với các chiến trường trọng điểm, mà còn tạo điều kiện thuận lợi để Trung ương mở tuyến đường chi viện chiến lược bằng cơ giới trên con đường Trường Sơn huyền thoại, đưa một lượng lớn người và của chi viện cho chiến trường miền Nam.
Những cống hiến to lớn của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh từ chiến lược, chiến thuật đến chỉ đạo xây dựng lực lượng vũ trang ba thứ quân; đánh địch bằng “hai chân, ba mũi, ba vùng”…; cùng những bài học rút ra từ cuộc phản công chiến lược mùa khô đã góp phần cùng Bộ Chính trị và Quân ủy Trung ương hạ quyết tâm chiến lược, tạo tiền đề quan trọng để quân, dân ta tiếp tục giành thắng lợi trong cuộc Tổng tiến công Mậu Thân (1968). Tài năng quân sự của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh được Cơ quan Tình báo Liên bang Mỹ (CIA) nhận xét: “Từ đầu năm 1965, ông Nguyễn Chí Thanh là nhân vật số một tại cơ quan đầu não về chính trị và quân sự của Đảng Cộng sản Việt Nam. Ông có quyền quyết định về cả việc hoạch định cũng như thi hành chiến lược và triển khai lực lượng… Ông có tư duy chọn giải pháp quân sự và mạnh mẽ cho những khó khăn lớn”.
Đánh giá công lao của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh, Tổng Bí thư Đỗ Mười viết: "Đồng chí Nguyễn Chí Thanh đã có những cống hiến to lớn vào sự nghiệp cách mạng của Đảng, của Quân đội và Nhân dân ta. Đồng chí mãi là hình ảnh cao đẹp về một người Cộng sản Việt Nam, một vị tướng đức tài tròn vẹn, trí dũng song toàn của Quân đội ta, một nhà lãnh đạo lỗi lạc của Đảng, một người học trò xuất sắc của Chủ tịch Hồ Chí Minh".