1964年10月16日，我国爆炸了第一颗原子弹，成功地进行了第一次核试验。
17日，周恩来以国务院总理名义向世界各国政府首脑发出电报，说：
“中国政府一贯主张全面禁止和彻底销毁核武器，中国进行核试验、发展核武器，是被迫而为的。”
“中国政府郑重宣布，在任何时候、任何情况下，中国都不会首先使用核武器。”
原子弹爆炸的成功吸引了全世界的目光，一夜之间中国跨进了核大国行列，全世界刮目相看。可是要做到这一步，却不知花费了多少人其中包括了周恩来的心血和精力。
发展我国的科学技术事业这件事，周恩来很早就已放在心上了。早在1949年春季，解放中国的炮声还在祖国南方大地上隆隆作响，要出国参加保卫世界和平大会的钱三强，想趁机在法国定购中型回旋加速器的电磁铁和其他一些仪器、图书、资料等。他提了这个想法，又有些后悔，因为人民解放战争正在进行，解放区的经济很困难，要拿出外汇实非易事。但是周恩来批准了。这件事使得中国的科学家感到在中国共产党的领导下，中国新兴科学的发展大有希望。新中国建立后，从1950年到1954年，在周恩来的支持和关怀下，中国科学院近代物理研究所用钱三强定购回来的这批仪器、资料和我国自己制造的实验设备，在20多个学科领域开展研究，培养骨干，为创建我国核事业作了基础准备。
1955年1月31日，周恩来在国务院全体会议上提出：我们应该使全世界人民知道，原子能如果为和平建设服务，就可以造福人类，如果为战争服务，就是毁灭人类。我国为了反对核战争，保卫和平，把原子能用于国家建设，造福人民，就要进行严肃认真的工作，必须掌握原子能。
就在这一月，周恩来把薄一波、李四光、钱三强找到办公室，详细了解我国核科学技术研究和铀矿资源情况，告诉他们中央将要开会研究。接着，毛泽东亲自主持召开中共中央书记处扩大会议，讨论中国发展原子能事业问题，刘少奇、周恩来、朱德、陈云、彭德怀、邓小平、彭真、薄一波等都参加了。会上，李四光、钱三强等汇报后，作了用仪器探测铀矿石的操作表演，当仪器接近铀矿石发出嘎嘎响声时，大家高兴地笑了。毛泽东说：这件事总是要抓的。现在到时候了，该抓了。只要排上日程，认真抓一下，一定可以搞起来。周恩来特别强调说：对人力培养要大力加强。这次会议对我国核科技研究和核工业建设有重大历史意义。按照周恩来关于要“迅速地建立和加强必要的研究机构”的指示，到1958年，我国建设成了第一个比较完整的综合性的核科学技术研究基地。
当时，周恩来的思想是：我们要“能够制造新式的保卫自己的武器，像国防方面的原子弹、导弹、远程飞机”，“要根本上解决，就必须自己制造”。火箭专家钱学森回国不久，周恩来就亲自交代他写了一个《建立我国国防航空工业的意见书》，1956年4月，周恩来主持中央军委会议，听取钱学森关于在中国发展导弹技术的规划设想，决定组建导弹航空科学研究方面的领导机构——航空工业委员会，他亲自牵头负责筹备。导弹研究设计院、核武器研究设计院等一系列科学研究机构相继成立，大力推动了我国国防科研事业的发展。聂荣臻曾经说，“1956年总理找我和学森同志谈组织航空工业委员会的事。就是说，我们要搞‘两弹’。那时候，主席也下了决心的，周总理很重视。”
1956年，周恩来亲自领导制定我国第一个科学技术发展的十二年规划。在制定这一规划过程中，他特别注意听取各方面科学家的意见，包括不同的意见。讨论中，出现了两种不同意见：一种认为，中国科学技术不发展，主要是基础科学太差，科学家太少，应该按照科学家的专长来开展工作，也就是按学科和专长来制订发展规划；另一种认为，中国科学技术差，更应该瞄准世界先进水平，补齐缺门，基础科学要重视，但技术科学对国民经济的发展更有直接影响，应以此为重点，也就是按国家需要，逐步建立起与国民经济相适应的各种科学技术研究机构，重点加强与生产的衔接工作。两种意见反映到周恩来那里，他表示：科学研究不能只为促进科学发展而发展，应该面向国民经济发展和国家现代化的总任务。于是，大家按照这个方针，拟订十二年发展目标和分类课题，起草成分科规划。周恩来认为，这许多不同学科中，总要有重点，没有重点就没有政策。对什么是重点，大家在讨论中又出现重大分歧。一部分人认为国民经济发展的重点是重工业，而重工业的基础是钢铁，科学技术的发展应以此为重点；另一部分人认为要实现现代化的方针，重点应该放在发展现代科学技术上，以此来带动传统工业伎术和传统工业的改造，缺门的学科也要及时建立，以缩小与先进国家的差距。两种思路两种对策，提请周恩来决定。周恩来认为：现代科学新技术是衡量一个国家发达水平的标志，应当选定航天技术（当时叫喷气技术）、核技术、半导体、计算机、电子学和自动化为重点。按照周恩来的指示，经过充分讨论，最后选定了57项重要任务。
这时候，我国除电子学、自动化外，全是一片空白。要从头建立，谈何容易。“两弹”是大规模的科学技术研究，要有几千人、上万人的协作，组织是十分庞大的。周恩来亲自召集会议，从事组织工作和各方面安排，曾经组织过上百个部、委、局级单位，26个省、市、自治区和上千个厂、矿、院校、所，以及各军兵种的有关单位，分工协作，联合攻关。这种情况，是只有在社会主义制度下和在中国共产党的统一领导下才能做到的。人力集中了，中国科技大学创办了，北京大学、清华大学等一批高等院校都办起了有关的科系或专业。1958年，我国第一台电子管电子计算机研制成功，第一枚探空火箭上天；1959年我国研制成功半导体晶体管电子计算机。科技十二年规划提前五年，于1962年经过认真检查，具体项目基本上完成了，从而有效地解决了一批我国国民经济建设和国防建设中的科学技术问题，使我国科学技术水平提高一步，缩小了与世界先进水平的差距，为我国科学事业的发展打下了一个很好的基础。1963年，周恩来提出，实现科学技术现代化的主要要求是，实事求是，循序前进，相互促进，迎头赶上。
到了国民经济困难时期，摆在面前的一个重大决策问题是：我们的导弹、核武器要不要继续搞下去？是上马，还是下马？争议相当激烈。周恩来的态度是非常坚决的，表示要决心搞下去。他的态度得到毛泽东的支持，认为不能放松，更不能下马。周恩来提出，自己动手，从头摸起，完全靠自己的力量搞出原子弹来。当时调整国民经济，全国其他基本建设几乎全部停了下来，但是这方面的工程不仅没有下马，反而有了很大的发展，决心要把原子弹、导弹搞出来。
1962年11月，在中共中央领导下成立了以周恩来为主任的专门委员会，有七个副总理、七个部长参加（贺龙、李富春、李先念、薄一波、陆定一、聂荣臻、罗瑞卿、赵尔陆、张爱萍、王鹤寿、刘杰、孙志远，段君毅、高扬），领导我国的原子能工业建设和核科技工作。当时的国防部部长林彪曾经提出一个主张，叫做“两弹为主，导弹第一”。这个主张没有重点，使下面捉摸不透。周恩来在专门委员会第二次会议上，明确提出了“先抓原子弹”的战略思想。在1962年12月4日的专门委员会第三次会议上，周恩来原则同意了二机部关于爆炸第一颗原子弹准备工作的“两年规划”。这个规划在1963年3月的专门委员会会议上被正式批准。周恩来提出了“三高”的指导思想，即高度的政治思想性、高度的科学计划性、高度的组织纪律性。
1964年我国第一颗原子弹爆炸试验那一天，周恩来派张爱萍为现场总指挥，全权负责处理可能出现的问题。周恩来和贺龙、聂朵臻在北京，亲自在电话机旁听着现场指挥口令和倒数时间的声音。张爱萍在核试验场手持话简向周恩来准确地回答提问和报告情况。试验取得了成功，中华民族精神为之大振。世界友好国家和人民，纷纷向我国表示热烈祝贺和同情支持。周恩来说：我们原子弹一响，美国的冲绳基地就向关岛迁移了。他问二机部部长刘杰研制氢弹的安排考虑。刘杰答：现在还有许多问题吃不透，大约需要三五年时间。周恩来说，五年是不是太慢了？
从原子弹到氢弹，美国用了七年零四个月，苏联用了四年，英国用了四年零七个月，那时法国已经研制了四年多，还没有搞成功。各国对研制氢弹的技术都严格保密，只字不漏。二机部经过反复论证，向中央专门委员会呈报了《关于加速发展核武器问题的报告》，把原理探索作为突破氢弹技术的首要措施，得到了周恩来的首肯。1965年2月3日和4日，周恩来主持第十次专门委员会议审议并批准了这个报告，决定：“力争于1968年进行氢弹装置的爆炸试验。”也就是说，要以比美、英、苏都快的速度把氢弹研制出来。
在氢弹的研制过程中，周恩来为大家制定了工作指导方针：“严肃认真，周到细致，稳妥可靠，万无一失。”这十六个字充分体现了周恩来一再强调的要“保证产品的高质量”和“绝对保证安全”的思想。他还制定了一系列指导方针，其中最重要的是1965年3月20日专门委员会议上他提出的“我们反对核讹诈和核威胁，不主张搞几百次核试验，因此我们的核试验都要从军事、科学、技术的需要出发，都要做到一次试验全面收效”。按照这个方针，我国从1964年10月到1987年6月的近23年时间里，只进行了33次核试验，而美、苏几十年来分别进行了800多次和600多次核试验。
1967年6月17日，我国成功地进行了一次300万吨级的空投氢弹试验，提前实现了原定的1968年进行氢弹试验的目标。从原子弹到氢弹，是一个质的飞跃。实现这个飞跃，我国用了两年零八个月，与美、苏、英、法比，速度是最快的，技术水平也比美、苏首次试验的氢弹水平高。
以周恩来为首的专门委员会，最初只管核武器研制：1964年开始也管航天事业了。第一颗原子弹爆炸成功后，周恩来要以此带动尖端事业的全面发展，并把专门委员会的工作转移到战略导弹和人造卫星上来。他说：“下半年重点抓战略导弹。要从东风二号抓起。”对于原子弹，他指出：要加速小型化，我们要真正制止核讹诈，就必须有自己的真正核威慑力量。在当时，要真正具有核威慑力量，核弹就必须能装在导弹上，否则是不行的。1966年10月27日，我国进行了原子弹和导弹结合的试验，导弹装上真的核弹头，在自己国内从发射场打到降落地。聂荣臻亲自指挥了这次试验，试验获得了成功。
周恩来又提出：“两弹结合进展顺利，接着要抓战术导弹（地空、海防）。”这也是他的用突破战略武器来推动发展战术武器的思想。专门委员会的第十三次会议上，确定了战略、战术导弹共有十几个型号。周恩来进一步明确工作重点，指出战术武器的研制工作，“要为地空导弹让路”。在1965年12月29日至31日的第十四次专门委员会议上，周恩来还明确提出要求说：“明年是导弹年，要有收获”，“明年中程、高空、核弹头，有对空的、对航的、低空的，后年要出更大成果。”到1967年9月，我国防空部队终于用自己国产的新型地空导弹，把改进了的美国高空侦察机击落了下来。
也是在这期间，专门委员会原则批准了研制攻击型潜挺。
原子弹、氢弹、导弹、人造卫星的成功，是周恩来关于我国科学技术发展的正确思想在科学实践中的丰硕成果。这项工作，我国是从零开始的。钱学森说过：“大家想一想，假使中国没有原子弹、导弹，那中国是什么国际地位？”
周恩来对每次核试验、导弹试验和发射人造地球卫星，都要亲自听汇报，找专家咨询，仔细检查各方面的准备工作，要求把各种不利或意外因素都考虑到，采取最可靠的保险措施。他语重心长地告诉大家：核试验关系重大，绝不能有一丝一毫马虎，我们国家穷，做什么事，都要考虑到，略有失误，都会加重人民的负担。正是由于贯彻了周恩来的指示，我国的“两弹”试验和外国相比，事故最少，伤亡最小，成功率最高。后来，1970年7月，核动力陆上模式堆运行试验准备就绪，中央专门委员会进行讨论时，周恩来着重审查了启动运行的安全问题，井指出这是核动力的起点，也是奠定核电站的基础。这年11月的一次专门委员会会议上，他提出我国发展核电站应当遵循“安全、适用、经济、自力更生”的方针。1974年三四月间，他带病最后一次主持专门委员会会议，审查并肯定了上海的核电站建设方案。
我国的国防科研和国防工业，能够独立自主地顺利发展，十年动乱的严重破坏下也没有中断，并为大规模地发展科学技术创造了具有中国特色的成功经验，这是和周恩来的亲切关怀与正确领导分不开的。