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Nel 1945 fu eletto segretario della CGIL, che era stata ricostituita l'anno prima con un accordo fra Di Vittorio, Achille Grandi e Bruno Buozzi. Quest'ultimo, ucciso dainazisti la sera prima della firma del patto, fu sostituito da Oreste Lizzadri. I tre erano i rappresentanti delle principali correnti del sindacalismo italiano: comunista, cattolica e socialista. L'anno seguente, nel 1946, fu eletto deputato all'Assemblea Costituente con il PCI.
L'unità sindacale così raggiunta durò fino al 1948, quando, in occasione dello sciopero generale politico proclamato in seguito all'attentato a Palmiro Togliatti, la componente cattolica si separò e fondò un proprio sindacato, la CISL, presto imitata dai socialdemocratici che si raggrupparono nella UIL.
Nel 1956 suscitò scalpore la sua presa di posizione, difforme da quella ufficiale del PCI, contro l'intervento dell'esercito sovietico per reprimere la rivolta ungherese.
La fama ed il prestigio di Di Vittorio ebbero largo seguito tra la classe operaia ed il movimento sindacale di tutto il mondo tanto che, nel 1953, fu eletto presidente della Federazione Sindacale Mondiale.
Di Vittorio continuò a guidare la CGIL fino alla sua morte, avvenuta nel 1957 a Lecco, poco dopo un incontro con alcuni delegati sindacali.