Khi Trygve Lie từ chức Tổng thư ký Liên Hiệp Quốc vào năm 1953, Hội đồng bảo an quyết định mời Hammarskjöld vào vị trí đó. Đó là một bất ngờ với ông và Hammarskjöld đã được lựa chọn vào ngày 31-3-1953 với đa số 10/11 nước bỏ phiếu. Đại hội đồng đã chính thức hóa kết quả đó vào tháng Tư, với 57/60 phiếu thuận. Năm 1957, ông được bầu lại thêm một nhiệm kỳ nữa.

Hammarskjöld bắt đầu nhiệm kỳ của mình bằng cách thiết lập một bộ máy trợ lý của Liên Hiệp Quốc với 4.000 nhân viên hành chính. Ông thiết lập nên những quy định định nghĩa trách nhiệm của từng bộ phận. Ông khẳng định rằng tổng thư ký có quyền hành động trong những tình huống khẩn cấp mà không cần sự đồng ý trước của Hội đồng bảo an hay Đại hội đồng.

Trong nhiệm kỳ của mình, Hammarskjöld đã cố gắng dàn xếp những cuộc xung đột giữa Israel và các nước A-rập. Năm 1955, ông đã tới Trung Quốc để thương lượng về việc giải thoát 15 phi công Mỹ từng tham gia Chiến tranh Triều Tiên và bị Trung Quốc bắt giữ. Năm 1956, ông thành lập Lực lượng phản ứng nhanh Liên Hiệp Quốc (UNEF). Năm 1957, ông tham gia giải quyết Cuộc khủng hoảng Suez. Năm 1960, nước Cộng hòa dân chủ Congo, trước kia là Congo thuộc Bỉ, vừa mới giành được độc lập và đã yêu cầu Liên Hiệu Quốc can thiệp giúp ổn định tình hình trước những xung đột vũ trang trong nước ngày càng leo thang có nguy cơ bùng phát thành nội chiến. Hammarskjöld đã có bốn chuyến thăm tới Congo. Những nỗ lực của ông bị Liên Xô coi là vô ích và tháng 9-1960, Liên Xô không chấp hành một quyết định của tổng thư ký đưa tới Congo một lực lượng phản ứng nhanh gìn giữ hòa bình. Liên Xô, qua phát biểu của Tổng bí thư Nikita Khrushchev, yêu cầu Hammarskjöld phải từ chức và kiến nghị một định chế tổng thư ký mới với ba người, đại diện cho ba nhóm nước khác nhau, các nước tư bản, các nước xã hội chủ nghĩa và các nước mới độc lập, cùng đảm nhận.[1]