A partire dall’inizio degli anni Cinquanta trascorre lunghi periodi di solitudine e di lavoro in diverse località di mare: a Isola di Porto Buso vicino a Grado (1951), a Bocca di Magra (1952) e a Fosso Sejote (1950, 1953 e 1954).

A questi periodi di « immersione nella natura », vere e proprie « prove fisiche dell’evasione fantastica », risalgono i Taccuini delle Marche e opere dal segno vibrante come Necropoli etrusca. 

In questi stessi anni partecipa attivamente al dibattito sul neorealismo e firma alcuni testi polemici, tra cui Courbet e il realismo (1949), Il lavoro nella pittura italiana (1950) e l’intervento presentato il 19 gennaio 1953 al Gabinetto Vieusseux di Firenze. 

Nel 1951 tiene la prima personale a New York presso la Catherine Viviano gallery, con una presentazione di Lionello Venturi. Le tre personali e altrettante collettive (1953, 1956, 1970) che la Viviano organizzerà intorno all’attività di Birolli contribuiranno alla diffusione della sua opera nelle collezioni americane.

Nel 1952 aderisce al Gruppo degli Otto (Afro Basaldella, Renato Birolli, Antonio Corpora, Mattia Moreni, Ennio Morlotti, Giuseppe Santomaso, Giulio Turcato, Emilio Vedova), presentato da Lionello Venturi alla XXVI Biennale di Venezia, dove Birolli è presente con una sala personale.

Nello stesso periodo, le edizioni della Conchiglia pubblicano il volume Italia ’44.

Nel 1953 viaggia in Spagna durante la primavera e trascorre l’estate a Fosso Sejore, dove firma il Taccuino delle Marche. L’anno dopo realizza une grande decorazione murale per la X Triennale di Milano e partecipa alla XXVII Biennale di Venezia.