第一颗原子弹爆炸试验成功后，周恩来问时任第二机械工业（核工业）部部长的刘杰对研制氢弹的安排考虑，刘回答：现在还有许多问题吃不透，大约需要三五年时间。周恩来说，5年是不是太慢了。的确，从原子弹到氢弹是一个质的飞跃。实现这个飞跃，美国用了7年零4个月，苏联用了4年，英国用了4年零7个月，那时法国已经研制了4年多，但还没有搞成功。各国对研制氢弹的技术都严格保密，只字不漏。
根据周恩来的指示精神，刘杰等人认真分析了我国核工业建设和核武器研制工作的形势，认识到氢弹研制的技术难度虽然很大，但有利条件也很多：我国核武器科研人员掌握了原子弹的有关理论和计算技术，系统地查明了原子弹内部的物理图像和各种物理规律，为研制氢弹打下了坚实的基础；在研制原子弹时，氢弹的原理探索已经开始，并取得了一定成绩；必需的装料氘化锂-6生产线接近建成；国产每秒5万次的电子管计算机已经开机，计算手段有了一定改善，等等。
经过反复论证，二机部向中央专委呈报了《关于加速发展核武器问题的报告》。1965年2月3日和4日，周恩来主持第10次专委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。”广大科技人员下决心抢在法国的前头实现氢弹爆炸试验。
在1968年或这之前突破氢弹技术，就是说要以比美、英、苏都快的速度把氢弹研制出来，这个目标有实现的可能性，但绝不是轻而易举的，是必须经过一番艰苦努力才能达到的。
由原子弹到氢弹的飞跃，关键是理论上的突破。周恩来一贯强调处理好理论和技术的关系，主张给理论研究以重要位置，反对忽视理论研究的近视倾向。他早在1956年1月就指出：“没有一定的理论科学的研究做基础，技术上就不可能有根本性质的进步和革新。”并对《关于加速发展核武器问题的报告》中提出的把原理探索作为突破氢弹技术的首要措施予以肯定。后来，正是由于理论上有了重大突破，才有氢弹新设计方案的形成和付诸试验，并得到了完全胜利。
在氢弹的研制过程中，周恩来还为科研人员制定了“严肃认真，周到细致，稳妥可靠，万无一失”的工作指导方针。这16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，深刻揭示了核工业建设和核武器研制试验的特点和规律。由于科技工作者切实贯彻执行了上述方针，从而避免了可能出现的奇灾大祸和巨大的浪费。
我国导弹核弹头的第一次结合试验，囿于当时的技术状况，是采用带有核弹头的导弹飞行方式进行的，导弹的发射、路径、爆点都在本土及其上空，风险很大。在这次试验的准备过程中，周恩来一再指示要“绝对保证安全”，指示七机部要保证导弹正常飞行，指示二机部要做到在导弹掉下来的情况下不发生核爆炸。根据他的指示，二、七机部分别在导弹和核弹头上采取了多级保险措施和安全自毁装置。但是，周恩来对此仍不放心，主持召开了两次专委会研究两弹结合试验的安全问题，并指示进行两弹结合保险措施和安全自毁的两项“冷”试验，然后根据试验情况决定是否进行“热”试验。国防科委、二、七机部密切配合进行了上述两项试验，进一步验证了两弹结合试验的安全可靠性。至此周恩来才批准于1966年10月27日进行了导弹核武器的飞行爆炸试验，取得了圆满成功。
1966年12月10日左右，核武器研制基地报告，首次热核试验用的热核装置有一个部件加工时出了一些质量问题，但不严重。当周恩来得知这一情况后，立即派刘杰乘专机前往处理。当刘对乘专机有些犹豫时，周恩来严肃地说：“飞机就是为了检查工作用的，你们就是要利用飞机争取时间。”
刘杰飞到核武器基地，实地观察加工好的部件，发现那不过是用放大镜才能看见的擦痕，经和科研人员研究，认为这不能算是一个质量事故，已加工出的部件可用，不会对爆炸试验产生影响。这样，周恩来才放了心，才批准按新设计方案研制的氢弹于1966年12月28日12时试验。试验结果表明，氢弹研制的关键理论和技术问题都获得了解决。
这时候，周恩来已经被“文化大革命”的动乱严重干扰，身心疲惫。但得知氢弹原理性试验成功的消息后，他当即把刘杰等几个人召集到西花厅，听取汇报，庆贺试验成功。他还特地为刘杰等人准备了晚餐，并且备了酒。这时，二机部的造反派来到离西花厅只有一墙之隔的中南海西北门外，扬言要打倒刘杰等人，并把矛头指向周恩来。周恩来闻讯后坦然表示，他们反对我，我引为光荣。随后，他念起毛泽东《水调歌头·游泳》中的两句词，“不管风吹浪打，胜似闲庭信步”，提醒和勉励刘杰等人要经受得起眼下政治风浪的考验。接着他举起酒杯，风趣地说：“今夜得宽余，喝酒吧！”
这次试验，无论从原理、结构，还是从达到的比威力和聚变比等指标看，就是一次氢弹地面试验。因此，半年之后，即1967年6月17日，我国便成功地进行了一次300万吨级的空投氢弹试验。
这次氢弹爆炸试验成功，提前实现了毛泽东1958年作出的“搞一点原子弹、氢弹，我看有10年工夫完全可能”的预言，提前实现了周恩来提出的1968年进行氢弹爆炸试验的目标，实现了我国核武器研制工作的第二次突破，为系列导弹核武器的研制和装备部队奠定了基础。
我国氢弹爆炸试验成功，再一次震惊了世界。从第一颗原子弹试验到氢弹试验，其间不过两年零八个月，与美、苏、英、法比，速度是最快的，从达到的比威力等指标看，其技术水平也比美、苏首次试验的氢弹水平高。