Маршал Бирюзов занимал высокий пост главнокомандующего Ракетными войсками стратегического назначения (РВСН) – заместителя министра обороны СССР с 24 апреля 1962 г. по 5 марта 1963 г.
Как главнокомандующий Ракетными войсками С.С. Бирюзов уделял особое внимание повышению их боеготовности, сокращению времени на подготовку и пуск ракет с наземных и шахтных пусковых установок. Им было принято и реализовано решение о строительстве в дивизиях РВСН дополнительных жилых городков вблизи стартовых позиций, что позволило уменьшить время на подготовку и пуск ракет на 2–3 часа. Он организовал постановку на боевое дежурство первых полков межконтинентальных баллистических ракет с шахтными пусковыми установками Р-16У и внедрил организационно-технические меры по предотвращению несанкционированных пусков ракет.
Выдающаяся заслуга маршала Бирюзова в создании новых видов Вооружённых Сил СССР (ПВО и РВСН) заключается в том, что он создал их фактически «с нуля». Несмотря на то, что он возглавлял Ракетные войска всего одиннадцать месяцев, под его руководством были решены важнейшие задачи их строительства. Прежде всего, были проведены жизненно необходимые коррективы организационно-штатной структуры Ракетных войск. Было положено начало строительству нового научно-исследовательского полигона в Архангельской области. Этот полигон ныне известен как космодром «Плесецк».
Для ракетных войск это время было годами массового строительства боевых ракетных комплексов с групповыми и шахтными пусковыми установками. Страна не жалела ни средств, ни материалов, ни времени, чтобы стать мировой ракетно-ядерной державой. Строились жилые городки в непосредственной близости от стартовых позиций. Заметно улучшились социально-бытовые и культурные объекты для солдат и офицеров, для их семей.
Понимая, что без квалифицированных кадровых офицеров-специалистов невозможно обеспечить поддержание боевой готовности и боевое применение сложнейшей ракетной техники, маршал Бирюзов уделял особое внимание подготовке профессионалов-ракетчиков. 1 августа 1962 г. на базе Суворовского училища было сформировано Ставропольское военное училище связи (там, где были пехотные курсы).
В 1963 году Н.С. Хрущёв назначил С.С. Бирюзова начальником Генерального штаба – первым заместителем министра обороны СССР. Жесткий и волевой, С.С. Бирюзов был призван «взбодрить» Генштаб и стимулировать оснащение армии самым современным оборудованием, в том числе компьютерами. 59-летний С.С. Бирюзов в 1964 году стал главным кандидатом на пост министра обороны, который тогда занимал маршал Р.Я. Малиновский.