Più tardi, però, si staccò da questi artisti e dapprima si diresse incontro a un pensiero di "rappresentazione razionale dei segni" (ca. 1953 - 1959) e si dedicò attivamente alla ricerca scultorea, partendo giovanissimo con le prime esperienze informali sul segno. In un secondo momento approdò al "ciclo della materia, del vuoto e della geometria" (ca. 1958 – 1972) con Superfici in tensione, Folle e poi trasformando le tensioni in torsioni con Soli, Archi e Spirali. Predilesse ampie aree fluttuanti in bronzo e grandi blocchi scolpiti nel marmo o squadrati con rigidezza nella pietra. In queste opere solitamente si aprono degli spazi vuoti che lasciano irrompere la luce del sole. Il sole è spesso il soggetto delle sue opere, a cui sono legati dei precisi significati ideologici dell'autore.
Fu invitato alla XXVIII Biennale di Venezia del 1956 ove vi espose gli Argenti fusi su osso di seppia, dedicati al poeta Ezra Pound. Nel 1959 fu invitato anche a documenta 2 di Kassel, in Germania, e vi espose Fluidità contrapposta e nello stesso anno partecipò alla Biennale dei giovani artisti di Parigi con Superfici in tensione, vincendo il premio per la scultura insieme ad Anthony Caro. Nel 1961 tenne due mostre personali alla galleria internazionale di Parigi e alla galleria Blu di Milano. Venne invitato per la seconda volta alla XXXI Biennale di Venezia del 1962. Dal 1965 si dedicò alle opere Radiali e Quadrati. Tra il 1966 e il 1967 soggiornò due volte negli Stati Uniti per presentare alcuni suoi lavori alla galleria Marlborough e alla galleria Martha Jackson di New York.
Opere nello studio dell'artista a Milano fotografate nel 1964-1965 da Paolo Monti
Scultura. Foto del 1964.
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A partire dagli anni settanta iniziarono gli ultimi due cicli della sua vita artistica, in cui si dedicò a numerose opere voluminose e monumentali presso il suo studio di Querceta di Seravezza in Versilia.
Nel 1978 realizzò anche le scenografie dell'opera verdianaLa forza del destino, rappresentata all'Arena di Verona nell'estate dello stesso anno. In questo anno partecipò per la terza volta alla Biennale di Venezia. Nel 1980 si occupò della scenografia del Flauto magico di Mozart, rappresentato a La Fenice di Venezia. Nel 1984 prese parte alla sua quarta e ultima Biennale di Venezia.
Dopo essere stato colpito da ictus, sebbene risiedesse e vivesse a Querceta da tempo, decise di tornare a morire a Milano, circondato ancora dalla sua arte, nel suo studio di via San Marco dove si spense il 21 dicembre 2002.
Opere monumentali
«Ciascuna delle mie opere è legata alla precedente e alla successiva, anche se questo non sempre avviene in un percorso lineare.»
(Giò Pomodoro in The Emptiness of Space. A Conversation with Giò Pomodoro di Laura Tansini.)
Fra i suoi lavori più noti vi sono le grandi opere monumentali pubbliche in pietra e bronzo incentrate sulla fruizione sociale dell'opera d'arte. Fra queste grandi opere vanno ricordate:
Sole - Luna - Albero, un complesso monumentale installato a Monza, nella piazza di via Ramazzotti, che comprende le sculture in pietra delle figure archetipe Sole, Luna e Albero, collegate tra loro da un percorso a fontana (1982),
Luogo dei quattro punti cardinali, analogo al complesso di Monza, è un enorme luogo scolpito per l'incontro e la sosta della gente, frutto di una ricerca progettuale durata dieci anni e collocato all'interno del Parco Pubblico di Taino, di fronte al Lago Maggiore (1981-1991),
Fontana "Giò Pomodoro" - Piazza Oberdan a Atessa (CH), realizzata nel 2005. La fontana si trova all'ingresso del centro storico, alla salita del parcheggio multipiano. Fu progettata da Pomodoro, ma realizzata postuma da Giorgio Pardi, in pietra di Gravina in Puglia. Fu realizzata a memoria del fontanone monumentale del tardo Ottocento, distrutto durante la seconda guerra mondiale.
Per Orciano di Pesaro, suo paese d'origine dell'entroterra marchigiano, pensò e progettò una piazzetta nel centro storico, laddove un tempo sorgeva la sua casa natale, recante ai due lati dell'ingresso un Orcio e una Corda in bronzo e al centro l'opera in marmo intitolata Sole deposto da lui realizzati, che riporta alla base i versi di un celebre poeta suo conterraneo, in ricordo del suo attaccamento al luogo natio:
La piazzetta progettata nel 1986, fu completata e inaugurata due anni dopo la morte dell'artista, il 20 giugno 2004, in presenza del figlio Bruto. Nel giugno 2004 gli eredi del fu Giò Pomodoro donarono a Forte dei Marmi la scultura La Figlia del Sole.
Nel dicembre 2014, la famiglia di Giò Pomodoro ha deciso di donare al comune di Seravezza, in Versilia, l'opera Pilastro per Marat del 1978, da collocare in uno spazio pubblico nella frazione di Querceta dove per quasi trent'anni l'artista aveva vissuto e lavorato.
Opere museali
Molte sue opere, in pietra o in bronzo, sono presenti anche nelle collezioni pubbliche e private in tutto il mondo e in Italia, fra le quali vanno ricordate: