在本身利益受到损害的情况下，美国开始转变对古巴政权的态度，竭力通过美洲国家组织孤立古巴，进行“集体干涉”。同时，美国在经济上对古巴不断施加压力，取消了进口古巴糖的定额，停止对古巴的一切援助，并对古巴实行全面禁运。1961年1月，美国正式宣布与古巴断绝外交关系。接着，美国总统于1961年2月批准了通过雇佣军武装入侵古巴的计划。同年4月，美国组织了1500多名雇佣军，在飞机和军舰的掩护下，对古巴进行武装侵略，企图以武力颠覆古巴政权，但遭到失败。
在严峻的形势下，古巴领导人认为，屈服于美国的压力就意味着革命的失败，古巴就会继续处于美国的统治、剥削和欺凌之下。因此，要将革命继续进行下去，将民族民主革命转变为社会主义革命。除此之外，别无他途。1961年4月，卡斯特罗宣布古巴是社会主义国家。
古美关系恶化后，古巴转向苏联求助。1960年2月，米高扬访问古巴并与卡斯特罗举行会谈。不久，古苏发表《联合公报》，表示两国将在平等互利的基础上发展贸易关系。苏联同意购买古巴当年生产的蔗糖42.5万吨，而且随后4年间还将年均购买数百万吨，并以2.5%的年利率向古巴提供1亿美元的贷款。5月，苏联与古巴恢复大使级外交关系。此后，两国关系急剧升温。古苏不仅在国际问题上相互支持，而且在军事安全领域也合作密切。赫鲁晓夫曾经表示，如果美国对古巴进行武装干涉，苏联不惜与美国一战，1962年古巴同意苏联在其境内部署中程导弹的原因就在于此。在经贸方面，双方合作更是高歌猛进。据统计，1960—1961年，苏联与古巴的贸易额从1.61亿卢布增至5.39亿卢布。在苏联贸易总额中，对古巴出口的比重从16.7%增至48.2%，从古巴进口的比重从13.8%增至41.1%。[26]
古巴宣布转入社会主义革命之后，加速推进各项社会经济改造，使社会、政治、经济各方面发生了深刻变化。
第一，实现了革命力量的大联合，最后建立了古巴共产党。1961年7月，古巴三个主要革命组织“七二六”运动、人民社会党和“三一三”革命指导委员会，合并成立“古巴革命统一组织”。1962年“古巴革命统一组织”改名为“古巴社会主义革命统一党”。在此基础上，1965年10月建立了“古巴共产党”，卡斯特罗担任第一书记。
第二，进行第二次土地改革和国有化改革。通过第二次土地改革，古巴消灭了农村中的大庄园制和富农经济，国有土地（主要是国营农场和甘蔗农场）的比重由之前的40%上升到70%，小农和合作社的土地占30%，基本上实现了土地全部国有化。1968年3月，古巴政府接管了几乎所有的私人小企业、手工作坊、零售商业和小服务业。至此，除农村的部分小农之外，残余的私人经济统统被消灭，实现了彻底的生产资料公有化。[27]
第三，扩大免费的社会服务范围，建立全面的社会保障体系。1962年9月，社会保险的覆盖范围扩展到所有劳动者，25万多农业劳动者也被保险制度覆盖。同时，保险范围覆盖了所有风险领域，劳动者不仅可以得到体面的养老金、适当的劳动补贴和工资，还可以获得在必要情况下的医疗和住院援助等。1963年4月古巴颁布第一部《社会保障法》，按照社会主义的原则和理念，建立了统一的社会保障制度，实现了社会保险制度到社会保障制度的转变。它不仅确定了古巴社会保障制度普遍、团结互助、统一和公正的原则，而且确定了国家在社会保障方面的责任。同时，社保覆盖对象扩展到包括农村地区工资劳动者在内的所有工资劳动者及其家庭，保障范围涵盖人的生、老、病、死各个阶段和社会生活的各个方面。[28]
但是，虽然进行了上述具有强烈社会主义性质的改革，古巴在这一时期并没有完全移植苏联模式。
