С первых же дней в легкоатлетической секции Брумель стал одним из самых усердных учеников. Что вполне объяснимо: до этого его считали в спортивном плане парнем бесталанным и никчемным, а теперь вдруг поверили в его возможности. И он готов был лезть из кожи вон, лишь бы доказать, что в нем не ошибаются. Потому и занимался усерднее, чем все остальные ученики. И уже через несколько месяцев первые положительные результаты не заставили себя ждать. Как-то Головин принес на занятия газету с фотографией рекордсмена СССР Игоря Кашкарова и сказал Брумелю: «Ты скоро будешь прыгать выше его! Только ты должен помнить, что спорт – это не только медали и слава, это кропотливый и тяжелый труд. Слабым в нем делать нечего». Валерий на всю жизнь запомнил эти слова. Хотя его путь к славе складывался совсем непросто.

Около года Головин тренировал Брумеля, после чего вынужден был покинуть легкоатлетическую секцию. А с новым наставником отношения у Валерия не сложились, и он вскоре ушел вслед за тренером. И хотя со спортом он не расставался, однако к легкой атлетике не возвращался, предпочитая посещать другие секции: стрельбу, велосипед, баскетбол и даже шахматы. И только в 1957 году Брумелю пришлось вернуться к прыжкам в высоту, когда родная школа отправила его на городские соревнования. На них Брумель произвел настоящий фурор, прыгнув на один метр тридцать пять сантиметров и заняв 2-е место. И, как вспоминал позднее сам Брумель, именно в тот день он по-настоящему себя зауважал. Он записался в секцию легкой атлетики под руководством Петра Шейна и спустя несколько месяцев занял 2-е место на первенстве школьников Украины. После этого Брумеля заметили и отправили на сборы в Киев, где он летом 1958 года покорил высоту в один метр девяносто пять сантиметров.

В апреле 1959 года Брумель улучшил свой результат, покорив планку в два метра ровно. Однако на этом его успехи закончились. За весь сезон он сумел прибавить к этому результату всего один сантиметр, а когда выступал на Спартакиаде 1959 года, и вовсе провалился – не взял даже двух метров. Брумель был в панике и никак не мог понять, что с ним происходит. Открыл ему глаза его тренер Шейн, который сказал: «Тебе не хватает техники, и, чтобы ее поставить, тебе нужен настоящий специалист». И Брумель отправился в Москву к одному из лучших специалистов страны по легкой атлетике Владимиру Дьячкову. Занятия с ним длились несколько месяцев и принесли положительный результат. В день своего 18-летия, 14 мая 1960 года, Брумель взмыл в высоту на два метра пять сантиметров. В тот день он был на седьмом небе от счастья и ему казалось, что полоса неудач в его спортивной карьере наконец-то закончилась. Он ошибся. Через несколько дней у Брумеля разболелась правая нога и каждый прыжок стал доставлять неимоверную боль. А на носу была поездка на Олимпийские игры в Рим. В итоге руководство советской сборной решило отправить в Италию не Брумеля, а его конкурента – Василия Хорошилова. Когда Брумель об этом узнал, он поначалу расстроился, но потом быстро взял себя в руки и решил доказать всем, что его еще рано списывать со счетов. Стал тренироваться с особой интенсивностью и 13 августа установил новый рекорд – прыгнул на два метра семнадцать сантиметров, недобрав до мирового рекорда американца Джона Томаса шесть сантиметров. И Брумеля вновь вернули в сборную.

В сборную Брумеля взяли «третьим номером», особо не рассчитывая на него. А он взял и стал триумфатором, что было настоящей сенсацией. Ведь фаворитом в прыжках в высоту числился Джон Томас, который незадолго до этого установил рекорд – прыгнул на два метра двадцать два сантиметра и девять миллиметров. В Рим Томас приехал отбывать номер, твердо уверенный, что равных ему соперников там не найдется. Но, к собственному удивлению, натолкнулся на столь отчаянное сопротивление тройки советских прыгунов в лице Роберта Шавлакадзе, Виктора Большова и Валерия Брумеля, что не устоял – у американца сдали нервы. В итоге «золото» и «серебро» взяли советские спортсмены: Шавлакадзе и Брумель, которые оба прыгнули на два метра шестнадцать сантиметров, но у Брумеля было больше затраченных попыток. А Томасу пришлось довольствоваться только «бронзой».