À partir du début des années 1950, Birolli effectue de longs séjours de solitude et de travail dans différentes localités marines du littoral : sur l’île de Porto Buso, près de Grado, en 1951 ; à Bocca di Magra, en 1952 ; et à Fosso Sejore, en 1950, 1953 et 1954.

De ces périodes d’« immersion dans la nature », véritables « épreuves physiques de l’évasion imaginaire », datent les Carnets des Marches ainsi que des œuvres au graphisme vibrant comme Nécropole étrusque.

Durant ces mêmes années, il prend une part active au débat sur le néoréalisme et signe plusieurs textes polémiques, parmi lesquels Courbet et le réalisme (1949), Le Travail dans la peinture italienne (1950), ainsi que la communication qu’il présente le 19 janvier 1953 au Gabinetto Vieusseux de Florence.

En 1951, il présente sa première exposition personnelle à New York, à la Catherine Viviano Gallery, accompagnée d’un texte de présentation de Lionello Venturi. Les trois expositions personnelles et les trois collectives que la Catherine Viviano Gallery consacrera par la suite à l’œuvre de Birolli (1953, 1956, 1970), contribueront largement à sa diffusion au sein des collections américaines.

En 1952, il rejoint le Gruppo degli Otto, composé d’Afro Basaldella, Renato Birolli, Antonio Corpora, Mattia Moreni, Ennio Morlotti, Giuseppe Santomaso, Giulio Turcato et Emilio Vedova. Le groupe est présenté par Lionello Venturi lors de la XXVIe Biennale de Venise, où une salle personnelle est consacrée à Birolli.

À la même époque, les éditions della Conchiglia publient le volume Italie ’44, qui rassemble une sélection de ses « dessins de la Résistance ».

Au printemps 1953, Birolli voyage en Espagne, avant de passer l’été à Fosso Sejore, où il rédige le Carnet des Marches. L’année suivante, il réalise une vaste décoration murale pour la Xe Triennale de Milan (Storie di terra et Storie di mare) et participe à la XXVIIe Biennale de Venise.