這時候，我國除電學、自動化外，全是一片空白。要從頭建立，談何容易。“兩彈”是大規模的科學技術研究，要有幾千人、上萬人的協作，組織是十分龐大的。周恩來親自召集會議，從事組織工作和各方麵安排，曾經組織過上百個部、委、局級單位，26個省、市、自治區和上千個廠、礦、院校、所，以及各軍兵種的有關單位，分工協作，聯合攻關。這種情況，是隻有在社會主義製度下和在國**的統一領導下才能做到的。人力集了，國科技大學創辦了，北京大學、清華大學等一批高等院校都辦起了有關的科係或專業。1958年，我國第一台電管電計算機研製成功，第一枚探空火箭上天；1959年我國研製成功半導體晶體管電計算機。科技十二年規劃提前五年，於1962年經過認真檢查，具體項目基本上完成了，從而有效地解決了一批我國國民經濟建設和國防建設的科學技術問題，使我國科學技術水平提高一步，縮小了與世界先進水平的差距，為我國科學事業的發展打下了一個很好的基礎。1963年，周恩來提出，實現科學技術現代化的主要要求是，實事求是，循序前進，相互促進，迎頭趕上。
到了國民經濟困難時期，擺在麵前的一個重大決策問題是：我們的導彈、核武器要不要繼續搞下去？是上馬，還是下馬？爭議相當激烈。周恩來的態度是非常堅決的，表示要決心搞下去。他的態度得到**的支持，認為不能放鬆，更不能下馬。周恩來提出，自己動手，從頭摸起，完全靠自己的力量搞出原彈來。當時調整國民經濟，全國其他基本建設幾乎全部停了下來，但是這方麵的工程不僅沒有下馬，反而有了很大的發展，決心要把原彈、導彈搞出來。
1962年11月，在**央領導下成立了以周恩來為主任的專門委員會，有七個副總理、七個部長參加（賀龍、李富春、**、薄一波、陸定一、聶榮臻、羅瑞卿、趙爾陸、張愛萍、王鶴壽、劉傑、孫誌遠，段君毅、高揚），領導我國的原能工業建設和核科技工作。當時的國防部部長**曾經提出一個主張，叫做“兩彈為主，導彈第一”。這個主張沒有重點，使下麵捉摸不透。周恩來在專門委員會第二次會議上，明確提出了“先抓原彈”的戰略思想。在1962年12月4日的專門委員會第三次會議上，周恩來原則同意了二機部關於爆炸第一顆原彈準備工作的“兩年規劃”。這個規劃在1963年3月的專門委員會會議上被正式批準。周恩來提出了“三高”的指導思想，即高度的政治思想性、高度的科學計劃性、高度的組織紀律性。
1964年我國第一顆原彈爆炸試驗那一天，周恩來派張愛萍為現場總指揮，全權負責處理可能出現的問題。周恩來和賀龍、聶朵臻在北京，親自在電話機旁聽著現場指揮口令和倒數時間的聲音。張愛萍在核試驗場手持話簡向周恩來準確地回答提問和報告情況。試驗取得了成功，華民族精神為之大振。世界友好國家和人民，紛紛向我國表示熱烈祝賀和同情支持。周恩來說：我們原彈一響，美國的衝繩基地就向關島遷移了。他問二機部部長劉傑研製氫彈的安排考慮。劉傑答：現在還有許多問題吃不透，大約需要三五年時間。周恩來說，五年是不是太慢了？
從原彈到氫彈，美國用了七年零四個月，蘇聯用了四年，英國用了四年零七個月，那時法國已經研製了四年多，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。二機部經過反複論證，向央專門委員會呈報了《關於加速發展核武器問題的報告》，把原理探索作為突破氫彈技術的首要措施，得到了周恩來的首肯。1965年2月3日和4日，周恩來主持第十次專門委員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。”也就是說，要以比美、英、蘇都快的速度把氫彈研製出來。