La vuelta a Madrid en 1962 coincide con dos acontecimientos importantes: la concesión del Premio Nacional de Música por su Cuarteto núm. 1, por un lado; y, por otro, el estreno barcelonés de su obra Espacios variados, primer ejemplo en su catálogo de forma móvil aplicada a la orquesta. El relativo escándalo que rodeó a esta composición, rastreable en la prensa de la época, daría a Bernaola una fama mediática que contribuiría a impulsar su nombre como representante de la nueva generación de compositores españoles. La década de los sesenta supone también la consolidación de la carrera profesional del autor, en una época en la que varios organismos estatales como el Ateneo de Madrid, el Servicio Nacional de Educación y Cultura y el Ministerio de Información y Turismo apuestan por la promoción oficial de la vanguardia en España. La razón hay que buscarla en las políticas del desarrollismo franquista y el intento de modernizar el régimen y alejarse de la ideología nacionalista anterior. Eventos multitudinarios como el Concierto de los 25 Años de Paz, la I Bienal de Música Contemporánea y el Festival de Música de América y España (1964) respondieron a esta estrategia propagandística, diseñada para mejorar la posición económica y diplomática de nuestro país en el ámbito internacional.
Durante esos años la música de Bernaola comienza a escucharse fuera de España, en encuentros como la Bienal de París (Superficie núm. 1), el Festival Interamericano de Washington (Heterofonías, 1966) y el XLII Festival de la SIMC de Varsovia (Músicas de cámara, 1967). También recibe encargos oficiales de la Dirección General de Bellas Artes (Pieza para órgano, 1972), Radio Nacional (Séptima Palabra, 1971), el Secretariado Nacional de Liturgia (Procesional de Entrada, 1967), el Festival Internacional de Música de Barcelona (Polifonías, 1969), el Festival Internacional de Música y Danza de Granada (Relatividades, 1971) y la Dirección General de Radiodifusión (Impulsos).
Además, los premios que recibe en esta época le permitirán un mayor desenvolvimiento económico: en 1965, la Fundación Juan March beca al compositor para la composición de la obra orquestal Heterofonías; en 1968 gana el Premio Juventudes Musicales de Madrid por Músicas de cámara; en el campo de la música para cine, el Círculo de Escritores Cinematográficos le concede tres premios consecutivos en 1967, 1969 y 1972, junto con otros dos galardones a nivel estatal (Premio Nacional de Música Cinematográfica, 1969 y 1973). A partir de 1968, Bernaola será profesor de la Cátedra de Historia y Estética de la Cinematografía en la Universidad de Valladolid, actividad que compaginará con la docencia en el Conservatorio madrileño hasta 1981. Con todo, la principal fuente de ingresos se la proporcionará su reincorporación como clarinetista en la Banda Municipal de Música de Madrid y sus trabajos para el cine, destacando colaboraciones con Basilio Martín Patino, Pedro Olea, Antonio Giménez-Rico, Roberto Bodegas y Antonio Mercero, entre otros. También es destacable la labor de Bernaola como conferenciante y escritor en el Aula de Música del Ateneo de Madrid. Este organismo, dirigido por Fernando Ruiz Coca, constituye el principal marco de difusión de la música de vanguardia en España durante los años sesenta. Junto con Luis de Pablo y Miguel Ángel Coria participa en la fundación de Alea (1965), primer laboratorio de música electrónica en nuestro país, si bien su producción en este campo es más bien escasa (Jarraipen, 1968; Superposiciones variables, 1976; Variantes combinadas, 1980).
Estéticamente, el lenguaje compositivo bernaoliano se caracteriza por una mezcla de rigor a nivel micro-estructural y un grado de libertad concedido a los intérpretes en la ejecución de determinados pasajes. El principal recurso desarrollado a partir de obras como Superficie núm. 4 (Cuarteto de cuerda núm. 2, 1968-69) será el uso de diseños circulares repetidos a diferentes tempi, y superpuestos en las diversas voces instrumentales. A través de un número reducido de intervalos, permutados en su orden de aparición y su dirección melódica, Bernaola logra dotar a estos pasajes de unidad estructural. El resultado es un tipo de textura estática muy particular: repetitiva en su interválica pero cambiante en las mezclas tímbricas y los cambios de registro e intensidad (Sánchez-Verdú, 2003). Los diseños circulares -principal manifestación de la música flexible- están presentes en prácticamente todo el catálogo de Bernaola, siendo evidentes en su música de cámara (Oda für Marisa, 1970; Argia ezta ikusten, 1973; Per due, 1974; Tiempos, 1976; Juegos, 1978; A mi aire, 1979), en composiciones vocales tanto seculares como religiosas (Ayer soñé que soñaba y Negaciones de Pedro, 1975; Las siete últimas palabras de Jesús en la cruz, 1984) y en obras orquestales como sus tres Sinfonías (1974, 1980 y 1990). Quizás el ejemplo más representativo de su estilo compositivo sea la Sinfonía en Do (1974), obra que vincula el sinfonismo tradicional con elementos propios de la Nueva Música, como la desaparición del pulso regular y la inclusión de secciones móviles o aleatorias. En otro orden de cosas, la colaboración de Bernaola con el LIM y su director Jesús Villa Rojo contribuirá a la investigación de nuevas posibilidades instrumentales en la familia del clarinete (Así, 1976; Achode núm. 1, 1977; ¡Qué familia!, 1979).