1967–1972 – powrót do I ligi W sezonie 1967/68 powrót do II ligi jeszcze się nie udał, jednak w kolejnym sezonie zarząd postawił drużynie za cel zdobycie awansu na 30-lecie klubu. Poprawa gry i postępy własnych wychowanków zadecydowały o awansie w sezonie 1968/69. Do zespołu sprowadzono młodego śląskiego trenera Andrzeja Gajewskiego, który z mielecką drużyną zdecydowanie wygrał drugoligowe rozgrywki, wyprzedzając drugi w tabeli Star Starachowice o 7 punktów. Rozpoczął się marsz na szczyty polskiego futbolu. Potencjał drzemiący w piłkarzach Stali pokazał mecz sparingowy rozegrany 23 lutego 1969 z ówczesnym mistrzem Polski Ruchem Chorzów, wygrany 5:0. Sukces powtórzono w następnym sezonie i Stal awansowała z 2. miejsca do I ligi.
Ponownie sukcesy odnosiła drużyna juniorów zdobywając w 1968 i 1969 3. miejsca w kraju.
W dniach 20–22 lipca 1969 rozegrano turniej z okazji XXX–lecia klubu Stal Mielec. W turnieju uczestniczyły drużyny Dynamo Berlin (NRD, I liga), Erzsebeti Vasas TK Budapest (Węgry, II liga), Stal Rzeszów i Stal Mielec. Turniej wygrali mielczanie.
Sezon 1970/71 zespół ukończył na 10. miejscu co pozwoliło mu utrzymać się w I lidze, a w pamięć zapadł kibicom inauguracyjny mecz z Wisłą Kraków wygrany 5:2.