經過兩年的理論建設，在鄧稼先的組織下。研制小組成功地用老式的計算器模擬了原子彈爆炸的全過程。通過模擬，他們不僅弄清了原子彈爆炸的過程，掌握了規律，而且還糾正了蘇聯專家的壹個比較大的錯誤結論。
隨後，鄧稼先又采取了壹項重大措施：組建高級理論班子，專門研究解決原子彈設計中的重大技術問題。這壹舉措，使原子彈的理論研制工作，又向前跨進了壹大步。周光召圓滿地解決了原子彈內部的所有關鍵的力學問題。與此同時，另外兩位在流體力學和數學上有很深造詣的副主任親密合作，又成功地解決了不定向流體力學的計算方法問題。鄧稼先自己則親自主持高溫高壓下物質狀態的研究，確定了有關理論計算的模型和方法。
計算工作完成後，鄧稼先等人經過反復思考，創造出了壹種獨具特色的“外推法”。這種方法從能夠模擬的環境和條件人手，經過逆向推算，再將結果與國外同類試驗的數據對照。最後發現結果完全吻合，從而證明了這種計算方法是正確可行的。原子彈研制中另外壹項最重要的任務是研制點火中子源。它是原子彈的引爆裝置，也是原子彈的心臟，這項任務由原子能所副所長、美國麻省理工學院的博士江德熙教授負責，經過壹番努力，終於在l961年冬得到了令人滿意的結果。他把這個裝置命名為XY小球。
與理論研究同步，核原料加工也同樣不斷取得進展。為了早日取得粗鈾原料，國家壹邊加快建設大廠，壹邊組織進行土法煉鈾。從1959年開始，雲南臨滄地區，當地群眾在技術人員的指導下，用石臼子破碎、籮筐篩選、豆腐包過濾、鐵鍋烘幹等辦法，在大廠未建成之前就得到了150噸粗鈾原料。這些原料再經過進壹步加工，完全滿足了我國頭兩顆原子彈所需要的核裝料，從而為整個工程爭取了壹年的寶貴時間。終於在1964年，壹顆完整的原子彈在工廠被組裝起來了，並於8月份運到了試驗場。
原子彈研制組裝工作結束後，下壹步的任務就是試驗準備。因為原子彈要在低空爆炸，所以在試驗場上豎起了壹座高達103米的鐵塔。以鐵塔為中心，設置了機場和機群、坦克群、各種火炮陣地、槍支彈藥、艦艇的上層結構、通訊樞紐、房屋建築等設施，在不同的距離上還放置了大批試驗動物。試驗場內，各種指揮所、觀察哨、輻射偵察分隊、有線課題遙測站以及氣象觀測站四處分布，形成了壹個復雜的網絡。
1964年10月14日19時，原子彈被吊上了鐵塔。16日上午，試驗基地司令員張蘊鈺和李覺將軍、工人趙維晉來到塔下，將XY小球親自接插上彈體。14時59分40秒，現場總指揮張愛萍發出最後指令，主控站操作員韓雲梯按下了啟動電鈕。10秒鐘後，整個系統進入自控狀態，計數器開始倒計時。“10，9，……3，2，1，起爆！”隨著壹聲驚大動地的巨響，頃刻之間，金光噴發，火球淩空，蘑菇雲騰空而起。中國第壹顆原子彈爆炸成功了！