周恩来认为原子弹只有同一种运载工具相结合才能成为一种杀伤和破坏力很大的武器。所以在中共中央作出发展原子能事业、研制原子弹的决策后，周恩来又开始积极筹划发展导弹技术的问题。恰在这时，被美国政府滞留在美国的钱学森，在周恩来通过外交途径积极争取下，从美国安全顺利回到国内。周恩来很快就会见了钱学森，请他写了一个怎么组织发展航空、导弹事业的意见。钱于1956年2月17日提出了《建立我国国防航空工业意见书》，对中国发展航空及火箭技术，从领导、科研、设计、生产等方面提出了建议。周恩来非常重视钱学森的意见书。他逐字逐句地审阅后，于2月22日送请毛泽东审阅。3月14日，周恩来召集彭德怀、聂荣臻、黄克诚等中央军委领导人开会，讨论并决定了组建导弹航空科学研究方面的领导机构———航空工业委员会(简称航委)。周恩来委托聂荣臻领导航委的工作。
5月26日上午，周恩来出席中央军委会议，讨论聂荣臻提出的《建立我国导弹研究工作的初步意见》的报告，周恩来对发展导弹技术研究的方针、所需的人员、机构、房舍和派人到苏联学习、聘请苏联专家等问题，作了明确指示。他特别指出，我国导弹研究工作发展的方针应当是：采取集中力量突破一点的方法，不能等待一切条件都具备了才开始研究生产。这次会议，作出了发展导弹的决定。
至此，在周恩来的精心筹划下，中国开始了发展原子能事业和研制原子弹、导弹(以下简称“两弹”)的工作，在国防现代化建设和增强综合国力的道路上迈出了重要的一步。
亲自领导发展国防尖端技术发展原子能事业，研制“两弹”，是一项技术十分复杂、难度很大，工艺要求很高，涉及部门多、学科多的宏大系统工程。周恩来领导这项工程的一个重要原则就是大力协同、集智攻关。原子能事业上马不久，他就明确提出“要靠自己”和“必须贯彻协作的原则”。根据工程的进展不失时机地对配备领导干部、抽调科技骨干、培养科技人员、发展原子能事业和“两弹”的构想、筹措物资器材等，都作出了明确的决定和要求。
早在1955年1月31日，周恩来就预见到发展国防尖端科技对人才的需求，在国务院全体会议上明确提出要集中一批学生转到学习物理方面的专业。他还提出要使懂原子能的专家归队，把他们逐渐从行政工作中抽出来。1956年5月29日，他又委托聂荣臻等人，提出一个加速培养尖端技术人才的方案。在周恩来的直接领导下，北京大学、兰州大学设置了物理研究室和相关专业，在27所高等院校设置了核专业。从19
55年～1958年，教育部从有关高等院校先后选调了几百名学生分别集中到北京大学、清华大学、兰州大学，学习原子能专业。还抽调了一批相近专业的优秀教师进修原子能专业。
为加强对原子能工业建设的领导，他又决定调牛书申、刘西尧任二机部副部长。责成中组部最迟于1963年1月15日前为二机部抽调技术干部197名，党政干部35名，医务干部29名。他还决定从煤炭部抽调有经验的矿山干部，从其他工业部门划拨几个工厂和一些研究力量给二机部。这就为原子能工业的起步和发展提供了有力的组织保障。
为实现中央发展原子能事业、研制“两弹”的战略决策，周恩来在1957年初提出：中国核工业要有完整的一套，能够形成独立的核力量。我们主要是解决“有无”的问题，规模不宜过大。这就是说，我国研制导弹核武器是被迫的，不是同核大国进行核竞赛。而是为了打破核垄断，是为了制止核大国使用核武器。
1959年，面对苏联单方面撕毁帮助中国发展原子能工业有关协议，中断援助的严重情况，周恩来说：中央研究了，我们不理他那一套。他不给，我们就自己动手，从头摸起，准备用八年时间搞出原子弹。为此二机部提出了“三年突破，五年掌握，八年适当储备”的奋斗目标。
1961年春，周恩来根据原子能工业建设进展情况和当时的国际形势，又提出要争取三至五年过关的要求。二机部提出在1964年进行原子弹试验的设想。1962年8月，又提出争取在1964年，最迟在1965年上半年爆炸第一颗原子弹的“两年规划”。为实现这一规划，同年11月17日，中共中央决定成立“中共中央15人专门委员会”(简称中央专委)，由周恩来任主任，负责统一领导发展原子能事业、研制原子弹的工作。后来决定，导弹、卫星、核潜艇研制工作也归专委领导。12月4日，周恩来主持召开专委会议批准了二机部提出的“两年规划”。