1964年10月16日，我國爆炸了第一顆原彈，成功地進行了第一次核試驗。
17日，周恩來以國務院總理名義向世界各國政府首腦發出電報，說：
“國政府一貫主張全麵禁止和徹底銷毀核武器，國進行核試驗、發展核武器，是被迫而為的。”
“國政府鄭重宣布，在任何時候、任何情況下，國都不會首先使用核武器。”
原彈爆炸的成功吸引了全世界的目光，一夜之間國跨進了核大國行列，全世界刮目相看。可是要做到這一步，卻不知花費了多少人其包括了周恩來的心血和精力。
發展我國的科學技術事業這件事，周恩來很早就已放在心上了。早在1949年春季，解放國的炮聲還在祖國南方大地上隆隆作響，要出國參加保衛世界和平大會的錢三強，想趁機在法國定購型回旋加速器的電磁鐵和其他一些儀器、圖書、資料等。他提了這個想法，又有些後悔，因為人民解放戰爭正在進行，解放區的經濟很困難，要拿出外彙實非易事。但是周恩來批準了。這件事使得國的科學家感到在國**的領導下，國新興科學的發展大有希望。新國建立後，從1950年到1954年，在周恩來的支持和關懷下，國科學院近代物理研究所用錢三強定購回來的這批儀器、資料和我國自己製造的實驗設備，在20多個學科領域開展研究，培養骨幹，為創建我國核事業作了基礎準備。
1955年1月31日，周恩來在國務院全體會議上提出：我們應該使全世界人民知道，原能如果為和平建設服務，就可以造福人類，如果為戰爭服務，就是毀滅人類。我國為了反對核戰爭，保衛和平，把原能用於國家建設，造福人民，就要進行嚴肅認真的工作，必須掌握原能。
就在這一月，周恩來把薄一波、李四光、錢三強找到辦公室，詳細了解我國核科學技術研究和鈾礦資源情況，告訴他們央將要開會研究。接著，**親自主持召開**央書記處擴大會議，討論國發展原能事業問題，**、周恩來、朱德、陳雲、彭德懷、鄧小平、彭真、薄一波等都參加了。會上，李四光、錢三強等彙報後，作了用儀器探測鈾礦石的操作表演，當儀器接近鈾礦石發出嘎嘎響聲時，大家高興地笑了。**說：這件事總是要抓的。現在到時候了，該抓了。隻要排上日程，認真抓一下，一定可以搞起來。周恩來特別強調說：對人力培養要大力加強。這次會議對我國核科技研究和核工業建設有重大曆史意義。按照周恩來關於要“迅速地建立和加強必要的研究機構”的指示，到1958年，我國建設成了第一個比較完整的綜合性的核科學技術研究基地。
當時，周恩來的思想是：我們要“能夠製造新式的保衛自己的武器，像國防方麵的原彈、導彈、遠程飛機”，“要根本上解決，就必須自己製造”。火箭專家錢學森回國不久，周恩來就親自交代他寫了一個《建立我國國防航空工業的意見書》，1956年4月，周恩來主持央軍委會議，聽取錢學森關於在國發展導彈技術的規劃設想，決定組建導彈航空科學研究方麵的領導機構——航空工業委員會，他親自牽頭負責籌備。導彈研究設計院、核武器研究設計院等一係列科學研究機構相繼成立，大力推動了我國國防科研事業的發展。聶榮臻曾經說，“1956年總理找我和學森同誌談組織航空工業委員會的事。就是說，我們要搞‘兩彈’。那時候，主席也下了決心的，周總理很重視。”
1956年，周恩來親自領導製定我國第一個科學技術發展的十二年規劃。在製定這一規劃過程，他特別注意聽取各方麵科學家的意見，包括不同的意見。討論，出現了兩種不同意見：一種認為，國科學技術不發展，主要是基礎科學太差，科學家太少，應該按照科學家的專長來開展工作，也就是按學科和專長來製訂發展規劃；另一種認為，國科學技術差，更應該瞄準世界先進水平，補齊缺門，基礎科學要重視，但技術科學對國民經濟的發展更有直接影響，應以此為重點，也就是按國家需要，逐步建立起與國民經濟相適應的各種科學技術研究機構，重點加強與生產的銜接工作。兩種意見反映到周恩來那裏，他表示：科學研究不能隻為促進科學發展而發展，應該麵向國民經濟發展和國家現代化的總任務。於是，大家按照這個方針，擬訂十二年發展目標和分類課題，起草成分科規劃。周恩來認為，這許多不同學科，總要有重點，沒有重點就沒有政策。對什麼是重點，大家在討論又出現重大分歧。一部分人認為國民經濟發展的重點是重工業，而重工業的基礎是鋼鐵，科學技術的發展應以此為重點；另一部分人認為要實現現代化的方針，重點應該放在發展現代科學技術上，以此來帶動傳統工業伎術和傳統工業的改造，缺門的學科也要及時建立，以縮小與先進國家的差距。兩種思路兩種對策，提請周恩來決定。周恩來認為：現代科學新技術是衡量一個國家發達水平的標誌，應當選定航天技術（當時叫噴氣技術）、核技術、半導體、計算機、電學和自動化為重點。按照周恩來的指示，經過充分討論，最後選定了57項重要任務。