经过3年国民经济恢复和第一个五年计划的建设，新中国科学技术事业初具规模。在经济建设不断取得成就的同时，中国开始了向科学进军的步伐。
1956年，在周恩来总理的主持下，中国开始制定《1956—1967年科学技术发展远景规划》（简称《12年科技规划》）。当时600多名各种门类和学科的科学家参加编制这个新中国成立以来的第一个科技规划。规划的指导方针是“重点发展，迎头赶上”，从13个方面提出了57项重大科学技术任务、616个中心问题，并从中进一步提出了12个重点任务。最重要的是确定了6项紧急措施，亦即原子能、导弹、电子计算机、半导体、无线电电子学和自动化技术。整个规划共计600余万字。此规划的制定和实施不仅对我国科学技术的发展起了重要推动作用，而且对我国科研机构的设置和布局，高等院校学科及专业的调整，科技队伍的培养方向和使用方式，科技管理的体系和方法，以及我国科技体制的形成起了决定性的作用。“12年科技规划”是中国科技界公认的重要里程碑。
基于当时的历史条件，在“12年科技规划”的制定过程中，对一些问题的认识出现了较大的分歧，如有科学家认为“重点发展”是对的，但“迎头赶上”则是不现实的；对于规划的原则，来自从事基础研究的科学家倾向于从学科角度来进行规划，而自从事技术科学和生产部门的科技专家，则倾向于从经济建设任务出发来进行规划，在当时中国的条件下，这两种方法各有其弊端。经过充分讨论，最后取得了共识，即把“按任务带学科”作为这次规划的基本原则。经过7个多月的讨论和研究，终于编制出十二年科技发展远景规划的纲要（草案）。经过8月下旬至10月下旬的国务院科学规划委员会扩大会议的总结性讨论和整理，于12月下旬向中央提出了规划纲要的修正草案。中央立即将草案连同关于编制科学规划的工作报告下发各地、各部门，听取各方面的意见。苏联方面也提出了详细的意见和建议。
根据规划的要求，首先对科研机构和学术团体进行了调整和组建。1956年3月，中国农学会成立；四月，中科院在北京筹建植物园；5月，中、苏、朝、越4国渔业研究委员会成立；7月，中国测量制图学会筹委会成立，中国与10个国家成立联合核子研究会，中国化工学会筹备会成立；同月，中科院还决定成立计算机技术研究所，自动化及远距离操纵研究所以及电子学研究所筹委会，在原有的应用物理所建立半导体研究小组；8月，中国园艺学科学院成立，中国园艺学会成立；10月，中国科学情报研究所成立；12月，中科院心理研究所成立；1957年2月，中国力学学会成立；3月，中国农业科学院成立，中华医学会节育技术指导委员合成立；4月，中国水利学会成立；6月，我国第一座天文馆——北京天文馆开馆；12月，全国第一中心图书馆成立，它由北京图书馆和其他在京的大专院校、科研机构和国家机关的多家图书馆联合组成；1958年3月，中国军事科学院成立；9月，中国科学技术大学开学；同月，作为全国性统一的科学技术团体——中华人民共和国科学技术协会在北京成立，它由中华全国自然科学专门学会联合会和中华全国科学技术普及协会合并而成；1959年8月，地质科学研究院成立；9月，全国农业展览馆建成。到1962年，全国科研机构（国防系统除外）已由1956年的381个增加到1296个，各主要学科和技术领域几乎都设置了专门的研究机构。这些科研机构和学术团体的组建，为十二年远景规划的实施奠定了广泛的组织基础。
1956年中央提出了对科学工作采取“百家争鸣”的方针。1956年4月28日，毛泽东在中央政治局会议上作总结发言时说：“百花齐放，百家争鸣，我看这应该成为我们的方针。艺术问题上百花齐放，学术问题上百家争鸣。”这次讲话首次把“百花齐放、百家争鸣”完整地确定为我们党发展科学文化事业的方针。在5月2日的最高国务会议第七次会议上，毛泽东正式宣布了这个方针。他说；“在艺术方面的百花齐放的方针，学术方面的百家争鸣的方针，是有必要的。”同年5月26日，中宣部长陆定一应当时中国科学院院长郭沫若的邀请，代表中共中央在怀仁堂向到会的一千多位自然科学家、社会科学家、文学艺术家等作题为《百花齐放、百家争鸣》的报告，系统地阐述了毛主席和党中央提出的双百方针。陆定一提出：要使文学艺术和科学技术事业得到发展和繁荣，必须采取“百花齐放、百家争鸣”的政策。“百花齐放、百家争鸣”就是提倡在文学艺术工作和科学研究工作中有独立思考的自由，有发表自己意见、坚持自己意见和保留自己的意见的自由。他强调，中共中央着重提出“百花齐放、百家争鸣”的政策，就是要我们在文学艺术工作和科学研究工作方面，把一切积极因素都调动起来，为繁荣我国的文学艺术、为使我国的科学技术赶上世界先进水平而努力。这个讲话于6月13日在《人民日报》上公开发表。
1956年9月，双百方针载入党的八大政治报告和决议，并得到了进一步的阐述。八大报告和决议特别指出“为了保证科学和艺术的繁荣，必须坚持‘百花齐放、百家争鸣’的方针”。“科学上的真理是愈辩愈明的，艺术上的风格是必须兼容并包的。党对学术性质和艺术性质的问题，不应当依靠行政命令来实现自己的领导，而要提倡自由讨论和自由竞赛来推动科学和艺术的发展”。“用行政的方针对于科学和艺术实行强制和专断，是错误的。”
双百方针的提出，在我国科技界引起了极大的反响。郭沫若、钱学森等给中央写信，表达了对这一方针的支持和拥护。郭沫若为了表示对双百方针的积极拥护，还特地以一百种花为题，写了一百首诗，出了一本《百花集》。全国各个部门和系统的科研机构和科技工作者纷纷响应和贯彻，我国科学技术事业出现前所未有的繁荣景象。
1957年2月27日，毛泽东在最高国务会议第十一次扩大会议上所作的《关于正确处理人民内部矛盾的问题》的讲话中，针对社会上存在的有关问题，对双百方针进行了专门论述。
1957年4月10日，《人民日报》发表题为《继续放手贯彻“百花齐放、百家争鸣”的方针》的社论指出，“百花齐放、百家争鸣”并不是一时的权宜之计，而是为发展文化和科学所必要的长时期的方针。党的任务是要继续放手，坚决贯彻“百花齐放、百家争鸣”的方针。
1956年至1957年5月，由于双百方针的正确的贯彻和执行，中国科学界呈现出一派“东风到处百花开”（郭沫若）的大好局面。科学家的思想空前活跃，科学创造的积极性大为提高。正如当时《人民日报》社论所指出的那洋，这对于我国政治界和知识界来说，“是一段不平常的时间”。但是，随着形势的发展，双百方针的贯彻执行受到了严重的干扰，科学文化领域欣欣向荣的局面逐步走向万马齐喑，直至“文化大革命”结束。
1957年11月3日，人民日报社论正式提出了经济领域的“大跃进”的口号。1958年5月八大二次会议了提出了“鼓足干劲、力争上游、多快好省地建设社会主义”的总路线之后，大跃进很快就在全国范围内开展起来了。经济领域的急躁冒进情绪也很快传播到科技领域，在科学发展方针上，原先确定的“争取在几十年内改变我国科技落后状况和12年内主要科技领域接近世界先进水平”的目标变成了“迅速赶上和超过世界先进水平”的不切实际的口号。
加快人才的培养是向科学进军的重要保障。为此，中国政府加大了向国外特别是苏联派遣留学生和学者的工作。1954年至1956年，随着向科学进军号召的提出和科学规划的制定，3年共派出留学生5800多名（其中研究生1200多名），主要学习工业和国防方面的重点和尖端学科。1957年—1958年，则着重派研究生特别是大学毕业后又有多年工作经验的人员去学习。自1954年10月中苏两国签订“中苏科学技术合作协议”到1959年，中国先后派出1700多名研究生，7000多名实习生到苏联学习。
为响应“向科学进军”的伟大号召，落实“12年科技规划”的战略部署，从1956年开始，全国范围内开展了轰轰烈烈的群众性科技运动的热潮。1956年l0月，召开了全国第一次职工科普工作积极分子代表大会，《光明日报》为此发表社论《把科普工作推向新阶段》，社论指出，“在向科学进军的号召下，全国广大职工群众学习科学技术的热情空前高涨起来了。”1958年2月27日—3月6日，国务院副总理、全国扫盲协会会长陈毅在18省市扫盲先进单位代表会上指出，从扫识字的盲，扫文化的盲，到扫科学的盲，这样中国才能改变又穷又白的面貌。
由于政府的高度重视，全社会的积极普遍响应，规划得到了良好的贯彻。到1959年这短短的3年时间内，规划的实施取得了丰硕的成果。基础科学研究成绩斐然，技术科学研究与应用方面成果显著。许多尖端技术从无到有，很多关键设备很快从仿制走向自行设计和制造；工程技术领域大面积丰收；农业方面，成功地培育了大批优良品种；工交能源等领域完成了武汉长江大桥、大庆油田等重大工程的建设与开发。