Em Moscou torna-se braço direito de Iuri Andropov, o secretário-geral do PCUS. Em 1985 chega a secretário-geral e fortalece seu poder ao renovar a cúpula dirigente do partido. Durante o 27º Congresso do PCUS, em 1986, anuncia a perestroika (em russo, reestruturação) na economia e a glasnost (abertura e transparência) na política.
As reformas são necessárias por causa da situação da economia soviética, à beira do colapso. Gorbatchov transfere parte do poder antes centralizado pelo PCUS para as assembléias das repúblicas que formam a URSS e liberta dissidentes, entre eles o físico Andrei Sakharov.
Presidente da República eleito pelo Soviete Supremo em 1989, termina com a Guerra Fria entre a URSS e os Estados Unidos, assinando com o presidente norte-americano, Ronald Reagan, um acordo de destruição de armas nucleares. No ano seguinte, recebe o Prêmio Nobel da Paz.
Em agosto de 1991 sofre uma tentativa de golpe por parte dos setores conservadores, mas retoma o poder em menos de 72 horas. Em dezembro, a URSS vota sua autodissolução, e Gorbatchov renuncia à Presidência. Desde então faz conferências e escreve para vários jornais do mundo.