1964年10月16日，第一颗原子弹爆炸成功以后，周恩来就及时提出，立即抓加强型原子弹和氢弹、导弹，特别提出“两弹结合试验”为下一步重点。中央批准了二机部发展原子能事业的长远规划和一些科研课题，如：重水、分子筛、科研和教学用的反应堆及核心设备的攻关等；周恩来还指示要加强二机部的政治思想工作和扶持二机部做好全面安排，进一步明确了二机部一系列后方建设的重要政策，要求学习“萨尔图”（即大庆）经验。在做了上述全面安排后，周恩来又决定把批准权下放给二机部，并指出不要什么问题都拿到专委会上来，今后国防科委、国防工办要分头负责。
周恩来之所以决定这样做，是为了通过第一颗原子弹的成功，带动尖端事业的全面发展，同时充分发挥政府机构和企、事业单位的作用，以保证专委会的工作重点顺利地转移到战略导弹和人造卫星上来。他要杨成武代总参谋长安排，由吴克华抓紧组建他亲自命名的“第二炮兵”（即战略导弹部队），同时指出，下半年重点抓战略导弹，为了“两弹结合”试验，要从东风二号抓起。他在出国访问回京途中，还亲自在基地看了导弹试验。回京后，又检查了核弹头准备工作，然后指出：“两弹结合进展顺利，接着要抓战术导弹（地空、海防）。”这体现了周恩来以接连不断地突破战略武器来推动发展战术武器的战略思想。
在讨论导弹问题时，周恩来提出要在五院的基础上成立一个部。后来的第七机械工业部就是由一个研究院再划过来一些工厂发展为部的。这就是我们后来常说的“部院合并”的又一个雏形。“文化大革命”中，有人反对这样做法。1966年6月的一次专委小会上，针对两派大闹部院合并问题、某造反派组织要求批斗罗瑞卿，周恩来说：“这个主意是我首先提出来的。”“这个问题在怀仁堂开了几天会，刘少奇主席主持的，贺、聂、刘亚楼、罗瑞卿参加了，王秉璋也参加了，这过程要从1961年说起，这个问题我提得最早，1962年我就说合起来，部院合并的目的是为了解决三结合，理论联系实际。”就这样，周恩来简单明了地驳斥了造反派，坚持了原则，保护了干部。
一次专委会上，七机部一位领导汇报规划，其中估计了过多的失败反复的因素，把导弹试飞的时间拖得很晚。听到这里，周恩来当即指出，为什么那样慢呢？你们回去发动群众讨论，该要条件的给保证，不要乱要，我看群众会比你们看得准些。他另指派专办常务副主任赵尔陆带了几个人下去，多次征求钱学森、任新民、黄纬禄、谢光选、梁守槃、肖淦、崔国良等专家学者的意见，并和部领导组织了广泛的讨论会，先在一院摸了一个月的底，修改了试验计划，提出了中远程的全面规划。之后，由七机部向中央专委会重新做了汇报，确定把新导弹试飞的时间从1968年提前到了1966年，投资比原来也大大减少了。接着，周恩来和赵尔陆又指定刘杰等人到其他各院做工作，也都取得满意的结果。当时聂荣臻语重心长地对专委的同志说：“技术民主问题，在民主的基础上集中，现在大家尝到味道了。”
专委第13次会议确定的战略、战术导弹共有十几个型号。周恩来进一步明确新的工作重点，指出战术武器的研制工作，“要为地空导弹让路”，并解释说，“没有舍就没有得”，论证了重点与全面的关系。随后，第14次专委会议连续开了3天，讨论近期规划。周恩来在会上提出了系统任务，他说，明年是导弹年，要有收获。他要求实行军民结合，专业协作，各部门不要单搞一套。他还说：“七机部接过上海机电二局和工厂以后，要军民结合，我们是一家子，原协作关系要保持，要为地方服务。”“人人为我，我为人人”这个提法很好，“上海的协作是值得我们学习的。”
1966年9月，周恩来满怀信心地对时任中央专委会及国防工业办公室副秘书长的刘柏罗说：“明年就用这种（专委）办法抓飞机。”若不是十年浩劫，我国的航空工业早就会有新的发展了。周恩来有一个一贯的思想，就是抓重点带动一般，抓尖端带动常规。在第14次专委会上，就曾在原则批准了攻击型核潜艇的同时，讨论了整个国防工业“以两年时间完成3年任务”的要求，并批准了“1966、1967两年规划”，主要项目是各种战术导弹和核潜艇、人造卫星等重大课题。
有一次，刘柏罗在汇报导弹地面设备的研制工作时提到了必须组织科研、生产、使用单位的三结合。周恩来指示说：“你们这个三结合提法符合马列主义、毛泽东思想。”他说，事实上是两个三结合，即科研、生产、使用三结合和科技人员、工人、领导干部三结合。他说，要坚持两个三结合、群众路线，要以实事求是、循序渐进的科学态度，树立兢兢业业、周到细致的工作作风，贯彻大力协同精神。对导弹地面设备，他说：“一、二、三、四、五机部应当分别组织联合设计，广泛吸收使用部队意见，由七机部提出设计要求，否则各部都自己搞，来个万事不求人，是什么也搞不出来的。”周恩来经常用这些至理名言和具体细微的要求教育科研人员。他的每句话都深入人心，成为指导尖端事业迅速发展的思想动力。
由于要求明确，各方面工作抓得很紧，华北、华东、东北的工作都进展很快。到1967年9月，防空部队终于打破了将近两年没有战功的沉寂，用国产新型地空导弹把改进了的美国高空侦察机击落下来。1971年9月10日，我国研制的洲际导弹首次飞行试验取得成功。
在研制氢弹和导弹的过程中，从1965年起，周恩来就要求抓紧人造地球卫星的研制工作。1965年5月4日和5日，他主持召开中央专委会第12次会议，讨论研制人造地球卫星的问题。同年8月9日和10日，他主持召开中央专委会第13次会议，原则批准我国第一颗人造地球卫星的研制规划方案，争取在1970年左右制成发射。经过两年多的努力，1968年春研制成功，并完成了各项发射准备。1970年4月24日晚，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功。