新中国政权建立之前，整个国家山河破碎，长期遭受帝国主义的侵略。当日本侵略者被赶出中国之后，蒋介石又发动了内战。也就是说，在美国与前苏联暗中开展核武器研制竞赛的初期，中国人正在打内战，不可能意识到核武器的威胁，更没有精力考虑研究核武器问题。当然，即使有人考虑，也不具备研究核武器的条件。
中华人民共和国政权建立之后，先后建立起海军、空军、炮兵、装甲兵以及后来的战略导弹部队，使国防力量有了很大的增强。在这种情况下，帝国主义制造的核威胁才成为一种非常迫切的问题摆在中国人面前。1956年，毛泽东发表了著名的《论十大关系》，在第三对关系中，就阐述了“经济建设与国防建设的关系”。同年10月，在中南海一次关于“十大关系”的学习讨论会上，毛泽东就非常明确地指出，国防不可没有，现在我们有了一定的国防力量……从盘古开天辟地以来，我们不晓得造飞机、造大汽车，现在开始造了。我们现在已经比过去强，以后还要比现在强，不但要有更多的飞机和大炮，而且还要有原子弹。自从人类制造出了第一颗原子弹，多灾多难的地球就更不得安宁了。中国是个大国，要是没有这个东西，我看世界大法码就不能平衡了。毛泽东还说，在今天的世界上，我们要不受人家欺负，就不能没有原子弹。毛泽东的这些谈话，定下了中国搞原子武器的决心。随后，周恩来总理等党和国家领导人，开始组织科学家研究可行性方案和进行组织准备。
1956年秋季，组织起以钱三强、王淦昌、朱光亚、邓稼先、陈能宽、程开甲等著名科学家为代表的核物理学研究队伍，周恩来在日理万机的繁忙之中，总是想方设法抽空参加科学家们的讨论，亲自听取汇报，并帮助解决困难。
1959年10月28日，中国第二机械工业部第九局成立，这就是中国核工业部九院和中国工程物理研究院的前身。由刚刚调回北京的西藏军区副司令李觉任局长。这个局的工作是从造房子开始，从局长到科学家，都参加过建房劳动。当时，他们得到的是一块上面还种着高粱的湿土地。局长李觉亲自挖地上的湿泥，而年青的科学家，刚从美国归来的博士邓稼先等人则抬土挑石，平整地基。他们就这样开始了中国的核武器研究。时隔不久，在北京西郊，矗立起两栋四层红砖楼房，科学家们开始了研究工作。50年代从国外归来的科学精英们，谁也没有抱怨环境艰苦、条件落后，而是毫无怨言地夜以继日地工作着。
中国和前苏联的关系破裂之前，赫鲁晓夫在一次访华中，非常狂妄地对毛泽东讲，中国是个发展农业的好地方，集中搞农业就行了。原子弹就不要搞了，躲到苏联的保护伞下就行啦。听了这话，毛泽东把手上的烟头狠狠地拧熄在烟灰缸中，一字一句地说，那要看中国人民答不答应。随后，在听取周恩来关于原子弹研究的汇报后，毛泽东深情地说，请转告同志们，人民会感谢他们的，有关原子弹的各项工作进展要越快越好。
根据中国和前苏联签订的协定，苏联方面答应向中国提供核武器研究的有关材料，为中国培养技术人员。可是，1959年夏天，苏共中央突然致函中共中央，声称：“由于苏联政府正在与美国政府以及西方国家举行日内瓦谈判。如果西方获悉苏联在新技术方面援助中国，就有可能破坏我们为和平做出的努力……。”以宛转的借口，终止了与中国签订的核研究的协定。
在前苏联的逼迫下，中国的决策者们定下了代号为“596”的核武器研究计划。
为了加快核武器的研究工作，核研究和核试验基地的建设工作同时进行。1959年12月，中央确定在新疆古楼兰属地的大戈壁滩上，建设一座核试验基地。
刚刚进入20世纪60年代，中国就迎来了连续自然灾害等方面的灾难和压力。首先是前苏联领导人发难，撕毁合同，撤走专家，急于讨债；随后是中国遭遇特大自然灾害；接着是蒋介石依靠美国的军事支持，叫嚣反攻大陆。
内外交困的中国，到了吃饭都非常困难的地步，甚至连中南海里也吃不饱肚子。在这非常时期，需要采取非常措施，中央决定对国民经济发展计划进行大调整。调整中肯定要涉及到国防工业和国防研究项目。
1961年7月，中央在北戴河召开了国防工作会议，在会上关于原子弹和导弹要不要继续搞下去的问题展开了争论。毛泽东没有参加这个会议，会后他拿到了会议材料。8月份毛泽东在北京召集有关中央领导专门讨论国防尖端武器的研究问题，在讨论中，时任国务院副总理兼外交部长的陈毅激动地说：“没有原子弹，我这个外交部长可要辞职啦。依我陈毅之见，原子弹要搞，导弹也要搞，就是脱了裤子去当，也要搞上去才行。”
毛泽东也是主张把国防尖端技术一定要搞上去的，所以，他听了汇报后说：“还是那句老话，中国要是没有这个东西，人家就要欺负我们口罗。”当即就决定批准了原子弹继续上马的方案。就是在这次会议上，周恩来对大家说“我们搞核武器的最终目的是为了消灭核武器，这一点从现在起大家都要明白。”
为了鼓舞研究者的士气，中央领导决定，在研究人员和核试验基地的建设人员中，分头召开一次誓师大会。这些连肚子都吃不饱，饿得浑身浮肿的军人和科学家们，勒紧腰带，忍饥挨饿，为的是国防力量的增强。在最饥饿的时期，除了很少的粮食定量之外，中央所能给他们的粮食援助仅仅是几斤黄豆。这些满脸菜色的科学家们，有许多是抛弃了国外优厚的物质待遇，历经艰辛回到祖国的。他们回来的目的就是为了祖国的富强。
研究工作进展顺利，1962年初，原子弹的核裂变控制工作已经完成，制造出了原子弹模型。1963年秋天，中国第一颗原子弹试验方案拟定。就在这一年，在罗布泊建立起120米高的原子弹试验铁塔。检验核爆炸效应的试验物，也相继建立起来。1964年5月，中国第一枚原子弹完成了总装。剩下的问题就是选择试验时机了。对于首次核试验，党和国家领导人非常重视，这是检验研究成果，也是检验领导人决策的试验，同时，更是表现中国人尖端科学技术研究能力的试验，为此，周恩来总理特别指示：“严肃认真，周到细致，稳妥可靠，万无一失。”遵照这一指示，科研人员对原子弹试验的各项工作，反复检查，生怕万一疏漏，会导致试验失败。
1964年10月8日，试验场的各项工作准备就绪，仪器设备全部调试完毕，气象部门提供了未来10天的预报。从10月14日到10月17日，试验场区天气晴朗，符合核爆炸要求。10月14日，周恩来专门向中央汇报原子弹试验准备工作情况，毛泽东、刘少奇、朱德、陈云、邓小平、李富春等都来听取汇报。在听完汇报后，毛泽东随即讲话，他说，我们即将有资格向世界各国政府建议，召开各国首脑会议，讨论全面禁止和彻底销毁核武器问题。作为第一步，各国首脑会议应当达成协议，即对有核武器的国家和很快可能拥有核武器的国家承担义务，保证不使用核武器，不对无核国家使用核武器，不对无核地区使用核武器，彼此也不使用核武器。
10月14日，中国首枚原子弹吊装到试验塔顶端的平台上。核武器研究部门负责人李觉、陈能宽等到现场细致检查，张爱苹将军到现场担任总指挥。
10月16日是预定的试验日期，下午2时，周恩来准时来到中南海会议厅，聂荣臻元帅已经在这里等候，这里装上了通往5000公里外的试验场的专用电话。2时58分，试验指挥所计时器进入倒计时。随着倒计时变为“零”，引爆人员按下了按钮，就在这一瞬间，戈壁滩上冲起一股巨浪，随后，火光、蘑菇云冲天而起，闷雷般的巨响传入耳际。原子弹爆炸了，爆炸过后，试验人员立即进入现场，查看记录仪，检验效应物，一切均详细记录。试验结果表明，我国自行研制的第一枚原子弹试验获得圆满成功。试验结果汇报到中南海，周恩来当即把这个消息汇报给毛泽东主席。毛泽东主席没有马上表示出喜悦，而是指示说，一定要搞清楚，是不是核爆炸。当反复核实验证的结果证明确实是核爆炸的结论再传过来时，中央领导才舒了一口气。中国原子弹爆炸成功的消息通过电波和报刊传到全国。顿时，举国上下，一片欢腾。中国人有了自己的“撒手锏”，成为继英国和法国之后，第五个有核国家。中国人再也不受核讹诈国家的威胁了。
氢弹是比原子弹威力大得多的核武器，各有核国家在掌握了原子弹制造技术之后，都立即发展氢弹。因此，中国在原子弹试验成功之后，也把氢弹研究列入了发展计划。原子弹试验成功之后，周恩来就指示第二机械工业部，要求集中力量搞好氢弹的理论研究，提出加快氢弹研制的计划。1965年1月，即中国原子弹爆炸成功3个月后，毛泽东指示，原子弹要有，氢弹也要快。刘少奇则指示，要像炸响原子弹那样，早日炸响氢弹。经研究，中央有关方面对氢弹研制成功的时间确定为1968年。“快”和“早”成为氢弹研究的口号。1966年初，毛泽东根据国际形势的变化，又作了进一步指示，他说，管他什么国，管他什么弹，原子弹、氢弹我们都要超过他们。
中国首次原子弹试验的蘑菇状烟云仅仅用了一年多时间，到1966年底，就完成了氢弹原理试验的准备工作，这时，“文化大革命”已经开始，一些造反派把斗争的矛头指向了出身不好的科学家，为此，周恩来和军队的直接负责人，不得不亲自出面保护这些科技英才。经周恩来同意，1966年12月28日进行了小当量氢弹理论试验，这枚爆炸威力为TNT当量12.2万吨级的小型氢弹试验，获得了圆满成功。通过这次试验，中国的科学技术人员，掌握了氢弹原理和制造氢弹的关键技术。成为继美国、前苏联和英国之后，第四个掌握氢弹技术的国家。
1967年初，中国领导人从有关部门得到消息，法国人可能在当年7月份试验氢弹。领导人和科学家们的一致反应是，一定要在法国人之前炸响氢弹。经研究，初步确定在1967年6月进行150至300万吨TNT当量的氢弹试验。这次试验，决定用空投方式试验。方案和时间确定之后，各个环节上的人员同时开展工作。
核研究人员进行氢弹的组装工作。飞机制造部门立即用中国自己制造的轰-6飞机改装，使之能够装载并投掷氢弹。3个月后，改装工作完成，飞机开始进行空投训练。试验场区也按照试验要求积极准备各项必须的设备。到6月5日，核武器研制基地的最后加工工作全部完成，并作了初步检验，证明一切符合规定的条件。试验工作可以在6月份进行。
1967年6月17日8时，装载氢弹的轰-6甲飞机准时升空。10分钟后，这架飞机飞抵试验场区中心位置，指挥部下达了投掷的命令，可是，飞行员太紧张，竟然漏掉了关键动作，所以，第一次竟然没有把弹投出去。根据命令，飞行员在空中转弯后又飞临场区上空。指挥中心再一次发出了投掷的命令。这一次驾驶员没有遗漏任何操作环节。氢弹顺利出舱，飞行员按照命令迅速飞离爆炸场区上空。氢弹在距地3000米处爆炸。爆炸威力为300万吨TNT当量。中国的氢弹试验获得了圆满成功。
我国从原子弹试验到氢弹试验成功，仅仅过了3年时间。氢弹的试验成功，标志着中国完成了核武器试验的两个阶段。这一成功，打破了美国和前苏联两个超级大国垄断核武器的局面。