同时，毛泽东提议并经中共中央讨论决定，由周恩来率中国党政代表团赴莫斯科祝贺十月革命节四十七周年。代表团由贺龙任副团长。参加代表团的还有有关各方面的负责人康生、刘晓、伍修权、潘自力、乔冠华、姚溱、王力、余湛等。
中共中央做出此举的目的，是借此机会同苏联新领导直接接触，交换意见，即使此行达不到预期的效果，也可以表明中共谋求中苏团结的诚意。
1964年11月5日，中国党政代表团在周恩来率领下，乘专机飞抵莫斯科，受到苏共中央主席团委员、苏联部长会议主席柯西金为首的苏联有关各方负责人的欢迎。
通过这次会谈，结合来莫斯科几天的情况，周恩来和中国代表团得出结论：“苏共领导还要继续执行赫鲁晓夫路线不变。”
周恩来回国后在机场受到毛泽东、刘少奇、朱德的欢迎。苏联新领导为自己破坏这次高级会谈辩解，企图把责任推到中国身上，遭到了周恩来的坚决驳斥。周恩来指出，第一，米高扬说你们和赫鲁晓夫在中苏分歧上完全一致，那就没有什么好谈了；第二，你们坚持召开7月30日通知要开的会，就是坚持老子党的态度不变。
13日，周恩来率中国代表团回国，在代表团赴机场的途中，周恩来对送行的柯西金说：“这次会见是有益的，但我们并不满意，因为原希望的情况会好些。”
周恩来率代表团于11月13日抵北京机场时，同样受毛泽东、刘少奇、朱德等一大批党和国家领导人盛大而热烈的欢迎。
11月21日，新华社播发了《红旗》编辑部社论：《赫鲁晓夫是怎样下台的》一文。社论说赫鲁晓夫“之所以下台”，“是由于他推行修正主义总路线和对外的一系列错误政策的结果。”
此后，中苏关系进一步恶化，中国对苏联修正主义(“苏修”)进行猛烈批判。苏联则陈兵百万于中苏边境，中苏走向严重对立。
3我们要搞原子弹
早在1946年8月，毛泽东在会见美国记者安娜·路易斯·斯特朗时，就谈论过原子弹。1951年10月，同中国友好的法国物理学家约里奥·居里在巴黎约见了即将回国的放射化学家杨承宗，请他回国后转告毛泽东主席：“你们要反对原子弹，你们必须要有原子弹；原子弹也不是那么可怕的，原子弹的原理也不是美国人发明的。”约里奥·居里夫人还将自己制作的10克含微量镭盐的标准源送给杨承宗，以支持中国的核物理研究。
1955年5月15日，毛泽东主持中央书记处扩大会议，做出了中国要发展原子能事业、研制原子弹的战略决策。着名物理学家钱三强和地质部长李四光出席了这次会议。毛泽东对他们说：“今天，请你们给我们上一课，我们这些人当你们的小学生。”李四光从提包里取出了一块黑色的铀矿石，说：“就是这样一块矿石，经过提炼和制作后得到的东西，能够释放出巨大的能量。”毛泽东兴趣盎然，拿过矿石察看了一番，又让在座的各位中央领导人传看。
李四光汇报完后，钱三强把研究所自制的射线探测器放在桌子上，又把一块放射源放在口袋里，然后从桌旁走过，探测器立即发出哗哗的响声。毛泽东也试了试，然后笑着说：“物质是无限可分的，质子、中子、电子也应该是可分的。为打破核垄断，我们也要下决心搞自己的核武器。”
同年3月，毛泽东又先后在中国共产党全国代表大会和军委扩大会议上指出，中国进入了“开始要钻研原子能的历史新时期”。1958年毛泽东在军委会议上说：“原子弹就是这么大的东西，没有那个东西，人家就说你不算数，那么好吧，我们就下决心搞一点吧！”
在这之后，1956年2月，着名科学家钱学森，又向中共中央和国务院提出《建立我国国防航空工业的意见书》。当时为保密起见，用“国防航空工业”这个词来代替火箭、导弹和后来所称的航天事业。钱学森的意见书，提出了我国火箭、导弹事业的组织草案、发展计划和具体研制步骤。钱学森的《意见书》受到了党中央的高度重视。周恩来亲自主持中央军委毛泽东在会上讲话。常委会议，听取钱学森的汇报，决定由聂荣臻元帅负责组建“航空工业委员会”，负责领导火箭、导弹和飞机的研制工作。5月10日，聂荣臻向中央建议组建我国导弹管理和研究机构，彭德怀、叶剑英等几位老帅都积极支持。于是，中央书记处和政治局正式行文，先后做出了研制两弹（原子弹和导弹）的决策。一个多月以后，钱学森又在中国科学院的统一组织下，领衔主持制定了发展火箭、导弹技术的远景规划。
1956年的春天，对中国科技界来说，是光辉灿烂的春天。1月20日，毛泽东在党中央召开的会议上，发出了“全党努力学习科学知识，同党外知识分子团结一致，为迅速赶上世界先进水平而奋斗”的号召。1月25日，毛泽东又在最高国务会议上指出：“目前我们国家的政治形势已经有了根本的变化”，“我国人民应该有一个远大的规划，要在几十年内，努力改变我国在经济上和科学文化上的落后状态，赶上世界先进水平。”
过了5天，周恩来在全国政协二届二次全体会议上，明确提出了“向现代科学技术大进军”的号召。周恩来要求国家计划委员会、中国科学院和各有关部门，在4月份以前制订出从1956年到1967年的12年科学技术发展的远景规划。600多位科学家和技术专家投入了这一规划的制订工作。周恩来指出：“这个远景规划的出发点，是按照需要和可能，把世界科学的最先进的成就尽可能迅速地介绍到我国来，把我国科学事业方面最急需的门类，尽可能迅速地补足起来，根据世界科学已有的成就来安排和规划我们的科学研究工作，争取在第三个五年计划期末，使我国最急需的科学部门能够接近世界的先进水平。
发展“两弹”，对中国来说完全是一片空白，既无资料，更无经验，开始指望得到苏联的帮助。在一次会议上，毛泽东也高兴地对大家说：“苏联政府已经来信，愿意给我们提供援助，这很好。我们要尽快把反应堆加速建立起来。有苏联对我们的援助，我们一定要搞好；我们自己干，也一定能干好！”
在50年代中期，中苏两国关系尚好。而且，当时正是苏联政界人物在交迭更替之中。在1957年6月的苏共中央全会上，马林科夫、莫洛托夫、卡冈诺维奇被解职。不久，朱可夫被开除出苏共中央，代之以马林诺夫斯基出任国防部长。在这风云变幻的形势下，上台不长的赫鲁晓夫，在政治上力图与邻国特别是社会主义国家修好，不但理论的论争有所收敛，而且在新技术援助方面也出现了松动迹象。因此，当聂荣臻副总理率代表团赴苏联谈判时，两国政府于10月15日签订《关于生产新式武器和军事技术装备以及在中国建立综合性的原子工业的协定》（简称一○·一五新技术协定）。根据这个协定，苏方在1957年至1961年年底，将供应我国原子弹的教学模型和图纸资料，供应我国导弹的样品和技术资料等。
然而，赫鲁晓夫政府并未认真执行这一协定，就是在中苏关系处于“蜜月期”，苏联政府也是采取一拖再拖的办法，拒绝向中国提供原子弹的样品和技术资料。事实上，从1958年下半年起，中苏关系变得越来越微妙了。到了1959年9月，国防部五院在莫斯科与苏方进行设备移交的谈判，按协议，苏方应供给我100吨不锈钢材，苏方竟翻脸不认账了。实际上在这年的6月20日，苏共中央致函中共中央，借口国际局势，单方面撕毁了中苏双方在1957年签订的关于国防新技术的协定。随后，他们实际上中断了对我国的援助，一些应到而未到的图纸资料和样品都卡住不给了，那只曾经伸出来的友谊之手又缩了回去。
到了1960年，事态发展得更为严重。在6月24日至26日布加勒斯特举行的社会主义各国共产党和工人党代表会议上，苏共对中共进行了全面攻击。1960年7月16日，苏联政府突然通知我国，决定自1960年7月28日至9月1日的一个月内，撤走在中国帮助工作的全部专家，并撕毁同我国签订的343个专家合同和合同补充书，废除了257个科技合同。赫鲁晓夫恶毒攻击说：“有些人不愿意参加核保护伞，要自己搞，我看不仅得不到原子弹，到头来连裤子都穿不上！”当时可谓“黑云压城城欲摧”。中国的核国防工业和航天事业，面临着夭折的危险。
在严峻的考验面前，毛泽东在思考，中国的科学家也在思考。“苏联专家撤走了，这是预料中的事。只不过事情来得早了一些，突然了一些。”毛泽东说，“赫鲁晓夫不给我们尖端技术，极好，我们一定要依靠自己的力量下决心搞尖端技术！”
就在这关键时刻，王淦昌、钱学森、邓稼先及一批从海外归来的科学家，坚定地站在党的一边，为国家民族分忧、争气，把自己的命运与炎黄子孙的祸福、中华民族的安危融为一体，面对严峻的考验表现出大无畏的气概，这种可贵的精神顿使聂荣臻在尊重与信赖的情感上又平添了几分敬意。“国难识忠良啊！”他说，“这是中国历朝历代正直知识分子的美德呀！”
聂荣臻在自己家里举行的一次宴请科学家的家宴上，动情地说：“逼上梁山，自己干吧！靠别人是靠不住的。以后就靠你们大家了！党中央寄希望于我们自己的专家！”一种卧薪尝胆、励精图治的悲壮，一种赴汤蹈火、在所不辞的豪气，充满了整个宴会厅。虽然没有美味佳肴，只有四个菜，然而这次宴会却给人们留下了终身难忘的印象。聂荣臻讲话的精神，成了鼓舞科学家们自力更生发奋图强的巨大推动力量。
苏联断援后，我国导弹、原子弹的研制工作一直没有停。当时副总理兼外长陈毅元帅说：“当了裤子也要把它们（两弹）搞上去，否则我这个外交部长的腰杆子就不硬。因为没有这个吓人的东西，人家就看不起我们，中华人民共和国的国威就难以大振。所以我们一定要下决心，尽快把导弹、原子弹搞出来！”
为了争取时间，苏联一断援，聂荣臻元帅即刻提出研制新型材料的任务，这一建议得到毛泽东的首肯和大力支持。中共中央在批转这一文件时再次指出，国防工业和尖端技术的发展，一定要立足于本国原料、材料的基础上，必须下决心不失时机地解决这一问题。当时最急迫需要解决的关键技术有三个：
第一是氟油问题。苏联断援后，受影响最大的是浓缩铀厂，关键的材料苏联不给了，整个工厂就要停顿，因此氟油就成了必须攻克的难关。第二是“真空阀门”问题。没有真空阀门，原子弹的气体原料就不能一步一步浓缩，然后把铀235浓缩起来。第三是高能炸药。原子弹怎么引爆？需要引爆装置。普通炸药不行，必须是高能炸药。
为了有效地解决这些问题，1960年中共中央总书记邓小平主持书记处会议，听取了聂荣臻和国防科委关于研制新型材料的汇报，当场批准正式组成由国家科委牵头的新技术材料小组，统筹安排、协调解决新型材料研制中的问题。会后，李富春、薄一波副总理，国家计委程子华副主任多次亲自过问、审查、落实。经过有关部门的密切协作和科技人员与广大职工的努力攻关，国家急需的96个项目，都如期保质保量地建成投产，拿出了合格产品。
原子弹爆炸后升起的蘑菇状烟云。中共八届十中全会后，二机部党组向中央上报了在1964年或不迟于1965年上半年，实现第一颗原子弹爆炸的两年规划。罗瑞卿副总理兼总参谋长审阅后附了一个报告，提出力争在1964年实现规划的要求，并根据刘少奇的建议，提出成立以周恩来总理为首的原子能十五人专门委员会，以加强领导，保证这一规划的顺利完成。1962年11月3日，毛泽东主席指示：“很好，大力协同做好这件工作。”
经过多方的协作努力，中国第一颗原子弹爆炸的时刻终于来临了。1964年10月16日清晨晴空万里，是罗布泊一个少有的好天气。原子弹被安全地吊上矗立于罗布泊爆心的102米高的铁塔上。在起爆的前三天，周恩来还是放心不下，他让科学家周光召再计算一下原子弹爆炸成功的概率是多少？并做出书面报告。周光召报告说：“经计算，我国第一颗原子弹爆炸失败概率小于万分之一。”周恩来看后笑着说：“太好了，我报告毛主席。”
一切准备就绪之后，原子弹按照预定的时间——1964年10月16日下午3时爆炸了。顿时，一朵巨大的蘑菇云在我国罗布泊上空冉冉升起，它仿佛是来自另一个世界的火焰。一瞬间，那巨大的蘑菇云又变成奇异的绿色，天崩地裂，发出排山倒海般的巨响。历史应记住这一辉煌的时刻，它宣告了美苏两个超级大国核垄断的破产！
消息传到国外，第三世界被压迫的国家和人民，普遍感到欢欣鼓舞，但一些西方国家的首脑却瞠目结舌。当天下午，美国国务卿迪安·腊斯克把一张蓝色卡片递给约翰逊总统，并告诉他中国爆炸了第一颗原子弹，震级当量为15万吨级。约翰逊的脸色苍白了，他的手一抖，那张蓝色卡片掉到地下。他喃喃自语地说：“比美国科学家预料的要早5年，比苏联部长会议主席赫鲁晓夫讲的提前了10年。”
中国研制成功原子弹后，毛泽东决定尽快实现原子弹武器化。经过科学家们的努力，1966年10月27日，中国成功地实现了导弹、原子弹的“两弹结合”。一切准备工作就绪之后，这天上午9时，一枚带着核弹头的导弹腾空而起，直冲云霄，在高空中转弯向西飞行，头弹分离后，按预定弹道飞向弹着区。在894公里罗布泊靶心上空距地面569米的高度爆炸。这一试验的圆满成功，使一贯敌视中国的超级大国再次受到巨大震惊。他们深知，从这天起，中国有了真正可用于实战的核导弹。
被称为中国导弹之父的钱学森，为实现“两弹结合”立了大功。钱学森是世界气体力学大师冯·卡门最好的学生。我国火箭喷气技术即导弹技术的建立是钱学森教授首先提出来的。他亲自制定了我国导弹技术的发展计划。
钱学森自任科学院力学研究所首任所长后，就迅速聚集了一批优秀科学家，开始攻关火箭。经过不懈努力，第一枚导弹于1960年试射成功。但钱学森认为，第一枚导弹射程太短，更不能用来发射原子弹和氢弹。钱学森提出，一定要进一步研制高能燃料，加大它的推力、速度。他说：“我国导弹必须有步骤地向远程、洲际和人造卫星发展。”
毛泽东支持钱学森要搞人造卫星的想法。他说：“我们要抛就抛大的，抛两万公斤的。也许要从较小的抛起。但像美国那样只有鸡蛋大的我们不抛。”苏联第一颗人造卫星的重量是184磅，而美国的“探险者一号”只有18磅。