在中共中央的领导和号召下，各有关部委、有关地区的党政军民、各行各业，展开了一场原子弹研制的全国性攻关战、协作战。在全国的协同努力下，中国原子弹的研制工作战胜了一个又一个技术难题，取得了一个又一个成果。
1962年12月，包头核燃料元件厂投料生产出四氟化铀，大大推动了核工业建设的进程。1963年3月，完成第一颗原子弹的理论设计方案。1963年8月23日，衡阳铀水冶厂建成第一期工程并试生产。1963年11月29日，酒泉六氟化铀工厂生产出第一批合格产品。1963年12月24日，同步聚集爆轰试验产生中子试验成功。1964年1月14日，生产出第一批合格的浓化铀，铀—235，这是原子弹的核心材料。1964年4月，加工出第一套原子弹上用的核部件。1964年6月6日，在青海海晏地区核武器研制基地，成功爆炸了一颗准原子弹（除未装核材料以外，其他均是未来原子弹爆炸时用的实物），为下一步进行正式的原子弹试验打下了坚实的基础。
9月23日，周恩来在中南海西花厅召开特密级小型会议。会议决定，原子弹爆炸的时间应选在10月下半月到11月上旬，最好选在10月15日到10月20日之前。这个大致时间确定之后，从上到下所有为原子弹爆炸而奋战的领导和科技人员，都随之进入了紧张的准备状态。
10月14日19时12分，在大漠深处的新疆罗布泊核试验场，中国第一颗原子弹被安全吊装到102米高的铁塔顶部。
10月16日早晨6时30分，爆炸前的最后一项准备工作联结雷管顺利完成。全体工作人员随即陆续撤离爆炸试验现场。12时56分，最后一批人员撤离完毕。
10月16日下午2时59分40秒，主控站操作人员按下了原子弹起爆按钮。核试验场区广播里传出倒计时的报读声：“9、8、7、6、5、4、3、2、1，起爆！”在一段短暂的寂静之后，突然，铁塔方向迸发出强烈而耀眼的闪光，接着升腾起一个巨大的太阳般的火球，冲击波如同飓风般席卷开来，随后传来了惊天动地的爆炸声。渐渐地，火球与地面冲起的尘柱连成一体，形成一朵极为壮观的蘑菇云。巨大的蘑菇云翻滚而起，直上蓝天。
中国第一颗原子弹爆炸成功了！
当天下午，新华社发表了《中华人民共和国政府声明》，向全世界公布了中国第一颗原子弹爆炸成功的消息，并在声明中说明，中国进行核试验，发展核武器，是被迫而为的；中国发展核武器，是为了防御，为了保卫中国人民免受美国发动核战争的威胁。中国政府在声明中郑重宣布，中国在任何时候、任何情况下，都不会首先使用核武器。