隨著對形勢的估計和對經濟發展戰略的深入研究，將全國劃分為一、二、三線的思想逐漸明朗化。1964年五六月間，毛澤東較係統地提出了要加快三線建設的思想。
1964年5月，中央工作會議在北京召開。毛澤東指出：過去曾經出現過隻發展沿海，忽視發展內地工業；隻強調建設內地，不注意充分利用沿海工業基礎這樣兩種傾向。50年代後期，由於“大躍進”帶來的嚴重困難，不得不大幅度地壓縮基本建設戰線，西南三線建設遲緩了。毛澤東強調：“攀枝花建設要快，但不要潦草；攀枝花建設不起來，睡不著覺。”這次會議，對動員全黨重視西南三線建設，起了很大作用。5月10日，國家計委向毛澤東彙報“三五”計劃初步設想時，毛澤東明確提出：“第三個五年計劃，原計劃在二線打圈子，對基礎的三線注意不夠，現在要補上。”7月15日，毛澤東又提出：沿海、沿邊有些省要搞兵工廠，造輕武器，造子彈。平時學會製造，積累一些材料。新疆要逐步儲備兵工材料。又會造，又有材料，需要時就可以造，武裝起來，做到有準備，就不怕。一有戰爭征候，工廠就要搬家，疏散到山裏去。上海這麼多工廠還能留給敵人嗎？不能。在談到攀枝花、酒泉兩個鋼鐵基地時，毛澤東強調：這兩個基地一定要落實。如果材料不夠，其他鐵路不修，集中修一條成昆路。
1964年8月中旬，中共中央書記處開會討論三線建設問題。毛澤東在8月17、20日兩次講話中說：要準備帝國主義可能發動侵略戰爭。現在工廠都集中在大城市和沿海地區，不利於備戰。工廠可以一分為二，要搶時間遷到內地去。各省都要搬家，都要建立自己的戰略後方，不僅工業交通部門要搬家，而且學校、科學院、設計院都要搬家。成昆、川黔、滇黔這三條鐵路要抓緊修好，鐵軌不夠，可以拆其他線路的。根據毛澤東的講話精神，會議經過研究，決定首先集中力量建設三線，在人力、物力、財力上給予保證。
1964年10月，中央工作會議通過並下發了國家計委提出的《1965年計劃綱要(草案)》。在計劃總投資的134億元中，三線建設占42億元，約占三分之一，在初步計劃安排的690個大中型項目中，三線占187個。毛澤東和中共中央抓住戰備的契機，同時提出了建設西部的長遠戰略要求。他提出：“三線是一個陣地，一、二線是一個陣地，以一、二線的生產來支援三線建設。”也就是說，以沿海工業支援內地工業，使內地逐步趕上沿海的發展水平。三線建設開始進入初期部署和實施階段。
三線建設初期的主要項目有四川、雲南交界的攀枝花鋼鐵工業基地，成都至昆明的成昆鐵路，以重慶為中心的常規兵器工業基地，以成都為中心的航空工業基地，以重慶至萬縣為中心的造船工業基地，陝西的航空工業、兵器工業基地，酒泉鋼鐵廠，貴州六盤水煤炭工業、航空工業基地等。
1969年珍寶島事件之後，中蘇關係進一步惡化，毛澤東更加重視三線建設，三線建設掀起了第二個建設高潮。他還提出了“小三線”建設的思路。這個思路就是：各省特別是進行三線建設的各省，再建設成本省自成體係的“三線”，這樣，既可以使“大三線”與“小三線”兩個體係環環相扣，又可以將三線建設深入到中小城市、縣城乃至鄉村，使我國形成支持長期戰爭的工業基礎。
到上世紀70年代中期，三線地區先後建成了西南地區以重慶為中心的常規兵器工業基地，以成都為中心的航空工業基地，以長江上遊重慶至萬縣為中心的造船工業基地；西北地區建成了陝西的航空工業、兵器工業基地，甘肅的航天工業基地。到1975年，三線地區國防工業的固定資產總值和淨值、主要產品的生產能力、技術力量和設備水平等都超過了一、二線地區，極大地改善了國防工業的生產布局，加速了我國國防的現代化建設。到1971年，我國三線建設的投資總額達到了340.8億元。不算1964年中央作出三線建設決策之前中央對西部地區的投資，僅從1964年到1980年的17年間，中央向三線建設投入的資金即為 2052億元。
不僅如此，在進行三線建設過程中，毛澤東注意並強調必須把戰備與西部地區的長遠建設結合起來，他要求在加強三線建設的同時，做好兩手準備，即戰備和長期建設。他說“我們本來就是做兩手準備的”，並指出：要爭取快一點把後方建設起來，三五年內要把這件事情搞好，後方建設起來，敵人如果不來，也沒有什麼浪費。根據毛澤東的這一思想，三線建設在發展國防科技工業的同時，著力對我國西南、西北內地進行了綜合性開發。在交通方麵，修通了貫通西南的川黔、貴昆、成昆、湘黔等10條鐵路幹線，在基礎工業方麵，建成貴州六盤水等幾十個煤礦，葛洲壩、龍羊峽、神頭等60多個大中型水火電站，開發了四川等地的油氣田，建成了四川攀枝花鋼鐵廠、成都無縫鋼管廠、貴州鋁廠、甘肅酒泉鋼鐵廠等大型鋼鐵工業企業，逐步形成了重慶、成都、貴陽、漢中、西寧等新的工業基地，紡織等輕工業也得到較快發展。
經過大規模的全麵建設，中國西南、西北地區基本形成種類齊全、工農業逐步協調發展的戰略大後方，初步改變了交通落後、基礎工業薄弱、資源開發水平低下的狀況。三線建設，從總體上來說，有利於改變工業建設在內地和沿海的嚴重不平衡狀況，有利於少數民族地區經濟的發展，有利於城鄉差別的縮小，功績是主要的。三線建設，堪稱中華人民共和國曆史上空前的建設戰略，它凝聚了以毛澤東為首的第一代中央領導集體在當時複雜國際國內形勢下的戰略思考和籌劃。(題圖為1964年6月中央工作會議上的毛澤東)