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。