Kiedy ten zmarł w 1957 roku, Novotný objął i to stanowisko, kumulując władzę w swoich rękach.
Rządząc krajem, szeroko czerpał ze stalinowskich wzorców. Sprawował represyjne rządy, utrzymując ścisłą zależność Czechosłowacji od Związku Socjalistycznych Republik Radzieckich. Dążył do industrializacji kraju, interesując się również postępem gospodarczym w innych państwach Bloku Wschodniego. Od początku lat 60. próbował przeciwstawić się coraz silniejszemu ruchowi, który żądał przeprowadzenia w kraju głębokich reform. Od 1962 zmagał się z kryzysem, w 1964 ponownie objął urząd prezydenta kraju, zaś w 1967 podjął liberalizację systemu, chcąc zapewnić sobie poparcie inteligencji oraz studentów.
Zmuszony do ustąpienia 5 stycznia 1968 roku zrezygnował ze stanowiska I sekretarza partii, na którym zastąpił go Alexander Dubček. Pod koniec lutego tego roku próbował dokonać wojskowo-milicyjnego zamachu stanu w celu odzyskania pełni rządów. 22 marca utracił (również z powodu rezygnacji) stanowisko prezydenta, na tym fotelu zastąpił go Ludvík Svoboda. 30 maja 1968 wydalony z partii. W tym samym roku sprzeciwił się inwazji wojsk Układu Warszawskiego na Czechosłowację. W 1971 przywrócono mu członkostwo, lecz nie zyskał tym już żadnych wpływów politycznych.
W 1969 otrzymał Order Odrodzenia Polski I klasy.