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，人家就要欺负我们啰。”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，张爱萍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。