En 1955, Birolli présente sa deuxième exposition personnelle à la Catherine Viviano Gallery, du 31 janvier au 26 février, et participe à la première édition de la Documenta de Cassel (juillet-septembre).
Il passe l’été à Manarola, où il peint les séries célèbres des Vendemmie et des Incendi delle Cinque Terre (1955-1958), dans lesquelles l’espace physique se dissout dans l’émotion de la couleur, à l’origine d’une nouvelle forme très personnelle de naturalisme abstrait.
Favorablement accueillies par la critique et par la presse, les œuvres de cette dernière période lui valent le Premio La Spezia, le troisième prix du Carnegie Institute de Pittsburgh ainsi que le Premio Lissone. En 1956, il séjourne durant l’été à Tellaro et se rend pour la première fois en Allemagne.
Entre la fin de l’année 1956 et le mois de mai 1957, il passe plusieurs mois à Anvers, où il entreprend le cycle pictural des Canti. De retour à Milan, il effectue ensuite de brefs séjours à Paris et à Londres.
En mai 1957, il est représenté par plus de cinquante œuvres, ainsi que par ses dessins de la Résistance, dans l’exposition consacrée à la collection Cavellini à la Galleria Nazionale d’Arte Moderna de Rome. Cette exposition est ensuite présentée à La Chaux-de-Fonds, en Suisse, en janvier 1958.
En 1958, il participe à la XXIXe Biennale di Venezia en qualité de commissaire. Au mois de mars, il part pour New York, où le mois suivant s’ouvre sa troisième exposition personnelle à la Catherine Viviano Gallery, consacrée aux œuvres de la période anversoise. Ce voyage lui donne l’occasion de se confronter aux développements les plus récents de l’action painting, qu’il étudie avec un vif intérêt sans pour autant y adhérer.
De retour en mars d’un bref séjour en Allemagne, il meurt le 3 mai 1959, victime d’une crise cardiaque.
Quelques jours plus tard s’ouvre à Berlin, à la Haus am Waldsee, une exposition personnelle qui, entre 1959 et le début de l’année 1960, est présentée dans plusieurs villes allemandes. Durant la même période, la LIVe Biennale di Verona, en mai et juin 1959, puis la VIIIe Quadriennale di Roma, de décembre 1959 à avril 1960, lui consacrent chacune une salle personnelle.
Entre octobre et novembre 1959, la Galleria La Nuova Pesa de Rome accueille Italia ’44, exposition personnelle consacrée aux dessins de la Résistance, qui circule ensuite dans plusieurs villes italiennes au cours de l’année 1960. L’année suivante paraissent, sous la direction d’Enrico Emanuelli, ses Taccuini, tandis que la XXXe Biennale di Venezia lui consacre une salle monographique (juin-septembre 1960).