「我雖近80歲，明知寡不敵眾，自當單槍匹馬，出來應戰，直至戰死為止，決不向專以力壓服不以理說服的那種批判者投降。」
——馬寅初，1959年
（1959年，北京大學校長馬寅初因為建議計畫生育而遭到批判，這是他當年奮起應戰時的答詞。鼓勵生育的政策導致中國人口持續增多，1949年，全國人口5.4億，1964年為7.2億，到馬寅初去世的1982年，全國第三次人口普查，得10.3億人。）
從1959年到1961年，後世稱為「三年自然災害」時期，國民經濟由前一年的瘋狂躍進陡然跌入空前的蕭條低迷。全國工廠關停近半，2千多萬新招職工被驅回農村。因糧食的短缺，廣大鄉村爆發大面積的餓死人現象，非正常死亡人口超過2千萬，個別地方甚至出現了「人相食」的慘況。
如此慘烈景象的發生，有客觀和主觀兩方面的原因，用劉少奇的話說，是「三分天災，七分人禍」。
關於這三年的中國是否發生了嚴重的自然災害，後世有兩種不同的觀察。
英國《泰晤士報》在1960年11月9日的一則報道中說，「1959到1960年，將以大旱災被載入中國的歷史。在北方的廣大地區約有兩百天沒有下雨，也沒有下雪，在夏末乾旱中斷後，許多地區又被大雨所淹沒……共產黨人在天氣上一直難得是幸運的，但是過去這一年是最壞的一年。」據國家統計局、民政部編撰的《1949—1995中國災情報告》記載，1959年全國出現了「受災範圍之大，在五十年代是前所未有的」嚴重自然災害，受災面積達4463萬公頃，且集中在主要產糧區河南、山東、四川、安徽、湖北、湖南、黑龍江等省區，除旱災、霜凍、洪澇、風雹外，還出現了不多見的蝗災、粘蟲災、鼠災。1960年，災情繼續擴大，北方持續爆發特大旱災，東部沿海省區則受嚴重颱風洪水衝擊，受災農田面積擴大到6546萬公頃。進入1961年後，災情未得緩解，大旱蔓延黃河、淮河和整個長江流域，河北、山東、河南三個主要產糧區的小麥比上一年最低水平又減產50％，很多農田顆粒無收。8月到10月間，東南沿海諸省遭受颱風襲擊11次，其中12級以上的佔9次，為建國以來之最。
然而，也有學者認為，這三年發生的自然災情不能算是全國性特大災害。據《中國水旱災害》一書描繪的1959年至1961年全國各省市乾燥度距離平均值圖顯示，三年全國乾燥度距離平均值均在正常變化範圍之內。另外，據氣象專家編製的1895年至1979年「全國各地歷年旱澇等級資料表」表明，這三年沒有發生嚴重的自然災害，屬於正常年景，若以旱災而論，1960年的旱情輕於1972年和1978年。《時代》周刊在1961年1月6日的一則報道中認為，「不是所有的西方觀察家都認為乾旱和洪水應該為糧食緊缺負責。他們指出日本的氣象報告顯示中國今年的氣象並無什麼異常，他們懷疑所謂自然災害乃是被發明與誇大的，為的是掩蓋食物的短缺的真正原因：政府剝奪食物出口到國外換取工業建設用的機器與設備。」到9月15日，這家雜誌又引用香港大學經濟學家斯達特·科比（EStuart Kirby）的研究指出，香港、台灣和中國廣東有著十分相似的天氣，天氣確實不好，但是香港農作物減產8％，台灣減產13％，在廣東則是30％，科比教授的結論是，中國的問題不僅僅是因為天氣，還有農民廣泛的士氣消沉。
科比教授的觀察應該是比較接近真相的，糧食的大幅度減產，既與自然災害有關，同時也是過激政策的後果。
「大躍進」的後遺症是嚴重的。首先是「放衛星」導致的高徵收。產量是虛的，徵購可是實的，1958年的糧食產量實際只有4000億斤，卻按虛報的7500億斤徵購，全國征了1095億斤，占年產量的27.3％，已達到農村承受能力的極限，然而，1959年徵購卻高達1348億斤，占年產量的39.6％，農民的口糧和下一年的種子也被征走了，農民不願交，就搞反右傾、反瞞產、反私分，甚至抓人、關人、打人。其次是大量青壯年農民仍然被拉去大鍊鋼鐵和大修水庫，在旱情嚴重的1959年秋冬，僅山東就有887萬青壯年在鍊鋼鐵和修水庫，全省秋播面積不及往年的四分之三，在三年中，山東共荒蕪農田五千到六千萬畝。可怕的糧食危機就這樣降臨了，到1960年，全國的糧、棉、油和生豬擁有量分別比1957年下降了29.7％、38.5％、56.1％和36.4％，糧食產量實際已猛降到了2870億斤，而徵購額卻比上一年還要多，高達1408億斤。趙發生在《當代中國的糧食工作》一書中更披露了一個事實：由於對形勢的判斷失誤，中國甚至還在1958年到1960年的三年中大量出口糧食，其中，1958年凈出口65億斤，比1957年猛增73.1％，1959年凈出口94.8億斤，又比上一年增加45.8％，1960年仍凈出口20億斤。
當悲劇發生的時候，放衛星最積極的地方，就是景象最悲慘的地方，全國的衛星以河南放得最多，河南又以出了「嵖岈山衛星」的信陽地區最耀眼。三年中，河南非正常死亡人口在二百萬以上，死亡牲畜七十四萬多頭，荒蕪土地440餘萬畝，為全國最慘烈的省份，一向為豫東南「魚米之鄉」的信陽地區更是餓死一百多萬人，很多鄉村絕炊絕戶，浮腫病大面積蔓延，農民大量外逃或餓死，爆發了震驚全國的「信陽事件」，時任湖北省委第一書記、受中央委託去河南實地調查的王任重回憶說，「（信陽）西平縣因為放小麥衛星，受打擊的有1萬多人，打跑7000人，打死300多人，這是多麼殘忍的事情！」河南省委在向中央的檢討中，也稱這個時期的信陽「一時間形成了一種恐怖世界、黑暗世界」。
從1959年春季開始，糧食危機就已經燒進了大城市。2月，美國《時代》周刊記者發現，在北方最普通不過的捲心菜居然成了「配給物資」。它的記者描述道：「儘管上個月中國政府號稱糧食增產了102％，但是城市的糧食配給的定量卻被削減了，捲心菜開始第一次登上了配給物資的列表，之後洗衣服的肥皂也開始需要配給，每人每月的食糖被減低到略高於一磅。在沿海的廣東省出現魚肉短缺，上海則是難以買到肉食。」在隨後的兩年里，關於食品短缺和人口死亡的報道不時出現，1960年5月16日的報道稱，「來自某個公社的消息說那裡50％的兒童都因為營養不良而死亡，雖然沒有大量的歉收報道，但是很明顯中國把廣東的農產品運到城裡給產業工人，或者賣到國外換取外匯，在一個地方，農民使一輛火車出軌，搶奪了把他們的穀物送往北方的列車。」在8月22日的一則報道中，記者援引福州一位母親給她在香港的兒子的信說，「要不是你寄點錢回來，我們一年也吃不到一塊肉。」
實際的情況，與《時代》記者的零星描述相去並不太遠。到1960年6月，北京庫存糧食只夠7天的銷量，天津僅夠10天，上海已無庫存，靠借外貿部門的出口大米度日，連一向為中國糧倉的東三省和四川都向中央告急要米。中部最大的鋼鐵企業武漢鋼鐵廠存米無多，工人們只好發明了「超聲波」蒸米法，把大米連蒸幾次，使之膨脹而能「填飽」肚子。清華大學則成功地發明了「增飯法」：一鍋下米300斤，水要逐步加入。先干煮40分鐘，然後第一次加水120斤。過15分鐘，第二次加水200斤。再過15分鐘，第三次加水520斤。在米下鍋以後，最後加水100斤，等10分鐘，就可以開飯。這個辦法被當成重大科研發明廣為推廣。
9月，中央發出指示，要求各地群眾「低標準，瓜菜代」，大搞代用食品。不久前還在為「糧食多了怎麼辦」而日夜攻關的科學家們專門「研製」出了「代食品」，如玉米根粉、小麥根粉、玉米桿曲粉、人造肉精、小球藻等等，這些名詞看上去很「科學」，其實就是把原本當肥料或餵豬的玉米、小麥杆子碾碎了當糧食吃，所謂「人造肉精」則是一種食用酵母。
代食品中，最有名的是「小球藻」，這是一種水面浮生植物。1960年7月6日，《人民日報》發表社論《大量生產小球藻》，認為小球藻不僅是很好的精飼料，而且具有很高的食用價值。社論寫道：小球藻「蛋白質含量比大米高5倍，比小麥高3倍多」。「用小球藻試製的糕點、麵包，質高味美，清香可口」。
一個名叫周孜仁的學生，當時就讀於成都五中，他在回憶文章中詳細記敘了當年培植「小球藻」的經歷：把原來宿舍區供學生洗衣取水的池子改為「藻類繁殖池」。先滿灌清水，再加上小便。因為據說「小球藻」在小便濃度較大的環境里，繁殖尤為迅速。接著把「藻」苗倒進去，攪拌十天半月，池水先是發綠，繼而發黑，最後發臭，藻類培養宣告成功，於是舀出兩桶往大食堂的鍋里倒，同時，向水池補足新尿兩