В 1958 году на базе Новочеркасского электровозостроительного завода был организован уникальный, единственный в своем роде научно-исследовательский институт электровозостроения – ВЭлНИИ. Ядро института составили инженеры Специального конструкторского бюро, Отдела главного конструктора и Центральной заводской электротехнической лаборатории НЭВЗа. Создание специализированного НИИ способствовало мощному сдвигу в развитии электровозостроения. За время существования института его специалистами было разработано 65 типов магистральных, промышленных, шахтных электровозов и тяговых агрегатов для открытых горных разработок. По документации института изготовлено более 16 тысяч электровозов различных назначений. Некоторые типы электровозов (ВЛ80, ВЛб5) выпущены партиями по 2–2,5 тысячи экземпляров.
В 1962 году по документации ВЭлНИИ завод выпустил первые электровозы переменного тока с кремниевыми диодными преобразователями, а в 1963-м – восьмиосный электровоз ВЛ80К с мощностью 6520 кВт.
Тем временем масштабы электрификации железных дорог активно росли. Удовлетворить потребность в электроподвижном составе силами одного завода было практически невозможно. Поэтому производство локомотивов постоянного тока ВЛ8 (Н8) было передано Тбилисскому электровозостроительному заводу, выпуск промышленных и маневровых электровозов – Днепропетровскому заводу. НЭВЗ стал специализироваться в основном на выпуске грузовых магистральных электровозов переменного тока.
В 60–70-е годы завод превратился в передовое производство, использующее самые прогрессивные методы работы, что было отмечено высочайшими правительственными наградами.
С 1967 года на НЭВЗе начался выпуск ВЛ80Т – электровоза с реостатным торможением. Чуть позже за создание этой машины коллективу ученых, конструкторов и производственников НЭВЗа, ВЭлНИИ и МПС была присвоена Государственная премия (1974 год).
В конце 60-х годов на НЭВЗе были решены задачи, имевшие огромное народно-хозяйственное и оборонное значение: разработана и применена система рекуперативного торможения на электровозах переменного тока с кремниевыми тиристорными преобразователями
, выпущен электровоз, обладающий новыми возможностями ВЛ80, серийный выпуск которого осуществлялся с 1969 по 1986 год. Для электровоза ВЛ80Р отечественными специалистами была создана оригинальная схема преобразования переменного тока в постоянный, примененная впоследствии на электровозах ВЛ85, ВЛб5 и ЭП1.Высокое качество локомотивов НЭВЗ, их надежность в эксплуатации в самых жестких условиях привлекли к продукции Новочеркасского электровозостроительного завода внимание зарубежных заказчиков. В течение 70-х годов и в начале 80-х новочеркассцы начали поставлять локомотивы в страны, обладающие непростыми условиями для эксплуатации: в Финляндию Sr1, в Польшу ET-42, в Китай – 8G. Поставки продукции заграничным покупателям – приоритетная работа НЭВЗа. Эта деятельность завода была, есть и будет продолжаться, какая бы политическая обстановка ни наблюдалась в мире.
Конец 70-х годов стал для завода временем глобальной реконструкции, задуманной правительством для увеличения выпуска продукции. Несмотря на некоторые сложности, в период реконструкции были построены корпуса новых цехов, вырос новый жилой район Молодежный, где, помимо новых домов, завод построил школу на 1200 мест, два детских сада, торговый центр.
С 1980 года НЭВЗ поставляет на железные дороги России крупные партии восьмиосного электровоза ВЛ80С, оснащенного реостатным тормозом. Силовая схема этого электровоза и система управления позволяют бригаде машинистов работать в любой из соединенных секций локомотива.
5 ноября 1982 года НЭВЗом был выпущен и торжественно сдан в эксплуатацию 10-тысячный электровоз. О рекордных объемах заводского производства говорит тот факт, что к этому периоду всеми предприятиями мира было выпущено всего 17 000 электровозов различных модификаций.
Следующей важной вехой в истории завода стало создание двенадцатиосного электровоза для вождения сверхтяжелых поездов ВЛ85 (10 000 кВт). Выпуск такого мощного локомотива был вызван интенсивным строительством БАМа. Эта машина может работать при температуре –60 °С. Для обеспечения ее работы был успешно разрешен целый ряд технических проблем, применены новые виды материалов и оборудования.
В 1985 году на базе ходовой части электровоза ВЛ85, совместно с финской фирмой «Стремберг», НЭВЗом создан двенадцатиосный электровоз с асинхронными двигателями типа ВЛ86Ф мощностью 11 400 кВт, который предназначался для работы в суровых условиях Севера. Однако серийный выпуск этой уникальной машины не состоялся – помешал начавшийся экономический кризис и распад государства. Многие заводы, поставляющие для этого электровоза комплектующие изделия: силовую электронику, конденсаторы и т. д., оказались за границей или вообще прекратили существование.