我国第一颗原子弹试验成功
要建立原子能工业和导弹航空工业，就需要掌握许多先进技术，研制许多先进材料、仪器和设备，而这些当时都只掌握在东西方两三个大国手中。完全靠我们自己研制需要较长的时间，周恩来非常明智地抓住中苏关系良好的时机，争取到苏联政府在原子能和航空火箭领域的技术援助。
对于应该用什么办法来利用苏联的援助问题，周总理鲜明地指出：既不能无限度地依赖苏联专家，更不能放松对苏联和其他国家先进的科学技术的学习。要把立足点放在自力更生上，要善于独立思考，通过自己的科学研究和实践培养人才，掌握技术，要边干边学、建成学会、努力消化，做到不仅知其然，而且知其所以然。
经过国防尖端工业部门和院所的专家干部职工的刻苦钻研，在苏联专家的帮助下，新中国的导弹、核工业建设均取得一定的进展。然而，好景不长，1960年苏联背信弃义，单方面撕毁所有中苏经济技术合同。原子能工业首当其冲，苏联撤走在核工业系统工作的全部233名技术专家，并带走了重要资料，想把中国初生的原子能工业扼杀在襁褓里。
在我国核工业发展遇到严重困难的紧要关头，周恩来坚决贯彻党中央的决定，激励我国从事核工业的科学技术专家们：“他不给，我们自己动手，从头摸起，准备用8年的时间搞出原子弹。”
为加强对“两弹”研究试验工作的领导，更有效地组织全国大协作，党中央成立了以周恩来总理为主任、由7位副总理和7位部长组成的“中央专委会”。全国先后有26个部委、20个省（区、市），包括900多家工厂、科研机构、高等院校以及解放军各军兵种参加了攻关会战。
1962年11月，为增强国防力量，成立了以周恩来为主任的专门委员会。图为1963年4月，周恩来和专委会成员贺龙、聂荣臻、张爱萍等在中南海
从中央专委成立到第一颗原子弹爆炸试验，周总理亲自主持召开了9次会议，讨论解决了科研、设计、生产中提出的近百个重大问题。在首次核试验任务准备期间，周总理明确提出，各项工作要“周到细致，准确及时”，“保响、保测、保安全，一次成功”。
周总理作为“总调度”，中央专委决定的事，哪怕是一个关键零部件的生产，也要当场拍板。钱学森深有感触地说：周总理把组织人民军队指挥革命战争的一套经验拿来用上了，当然很灵，为我们创造了一套领导研制“两弹”的工作方法。
就这样，经过全党和全国军民的共同努力，中国于1964年10月16日成功爆炸了自行研制的第一颗原子弹。
试验当天，周总理在北京一直守在电话机旁，和在前方的现场总指挥张爱萍始终保持着密切联系。当张爱萍激动地用有些颤抖的声音向周总理报告：“我们的原子弹爆炸成功啦！”周总理冷静地询问：“你们能不能肯定是核爆炸？”当得到肯定回答后，周总理如释重负，随即拿起话筒向毛泽东主席报告。
在我国第一颗原子弹试验成功后，根据毛泽东“原子弹要有，氢弹也要快”的指示，周恩来要求各国防工业部门和科研机构发扬连续作战的作风，再接再厉, 一鼓作气，立即抓紧原子弹武器化和氢弹、导弹的研制。