從此，周恩來在日理萬機之中，又肩負起一項新的重擔--領導開創尖端科技事業。從1962年11月中央專委會成立到1964年10月16日我國第一顆原子彈爆炸試驗，周恩來親自主持召開了9次會議，及時解決了生產、科研和建設中的100多個重大問題。在周恩來的領導下科技人員堅持不懈，排除萬難，使得我國的“兩彈一星”走上了迅猛發展的軌道。
二、加速研製氫彈
第一顆原子彈爆炸試驗成功後，周恩來問時任第二機械工業（核工業）部部長的劉傑對研製氫彈的安排考慮，劉回答：現在還有許多問題吃不透，大約需要三五年時間。周恩來說，5年是不是太慢了。的確，從原子彈到氫彈是一個質的飛躍。實現這個飛躍，美國用了7年零4個月，蘇聯用了4年，英國用了4年零7個月，那時法國已經研製了4年多，但還沒有搞成功。各國對研製氫彈的技術都嚴格保密，隻字不漏。
根據周恩來的指示精神，劉傑等人認真分析了我國核工業建設和核武器研製工作的形勢，認識到氫彈研製的技術難度雖然很大，但有利條件也很多：我國核武器科研人員掌握了原子彈的有關理論和計算技術，係統地查明了原子彈內部的物理圖像和各種物理規律，為研製氫彈打下了堅實的基礎；在研製原子彈時，氫彈的原理探索已經開始，並取得了一定成績；必需的裝料氘化鋰-6生產線接近建成；國產每秒5萬次的電子管計算機已經開機，計算手段有了一定改善，等等。
經過反複論證，二機部向中央專委呈報了《關於加速發展核武器問題的報告》。1965年2月3日和4日，周恩來主持第10次專委會議審議並批準了這個報告，決定：“力爭於1968年進行氫彈裝置的爆炸試驗。”廣大科技人員下決心搶在法國的前頭實現氫彈爆炸試驗。
在1968年或這之前突破氫彈技術，就是說要以比美、英、蘇都快的速度把氫彈研製出來，這個目標有實現的可能性，但絕不是輕而易舉的，是必須經過一番艱苦努力才能達到的。
由原子彈到氫彈的飛躍，關鍵是理論上的突破。周恩來一貫強調處理好理論和技術的關係，主張給理論研究以重要位置，反對忽視理論研究的近視傾向。他早在1956年1月就指出：“沒有一定的理論科學的研究做基礎，技術上就不可能有根本性質的進步和革新。”並對《關於加速發展核武器問題的報告》中提出的把原理探索作為突破氫彈技術的首要措施予以肯定。後來，正是由於理論上有了重大突破，才有氫彈新設計方案的形成和付諸試驗，並得到了完全勝利。
在氫彈的研製過程中，周恩來還為科研人員製定了“嚴肅認真，周到細致，穩妥可靠，萬無一失”的工作指導方針。這16個字，充分體現了周恩來一再強調的要“保證產品的高質量”和“絕對保證安全”的思想，深刻揭示了核工業建設和核武器研製試驗的特點和規律。由於科技工作者切實貫徹執行了上述方針，從而避免了可能出現的奇災大禍和巨大的浪費。
我國導彈核彈頭的第一次結合試驗，囿於當時的技術狀況，是采用帶有核彈頭的導彈飛行方式進行的，導彈的發射、路徑、爆點都在本土及其上空，風險很大。在這次試驗的準備過程中，周恩來一再指示要“絕對保證安全”，指示七機部要保證導彈正常飛行，指示二機部要做到在導彈掉下來的情況下不發生核爆炸。根據他的指示，二、七機部分別在導彈和核彈頭上采取了多級保險措施和安全自毀裝置。但是，周恩來對此仍不放心，主持召開了兩次專委會研究兩彈結合試驗的安全問題，並指示進行兩彈結合保險措施和安全自毀的兩項“冷”試驗，然後根據試驗情況決定是否進行“熱”試驗。國防科委、二、七機部密切配合進行了上述兩項試驗，進一步驗證了兩彈結合試驗的安全可靠性。至此周恩來才批準於1966年10月27日進行了導彈核武器的飛行爆炸試驗，取得了圓滿成功。