在「一五」計畫結束的1957年前後，共產黨人幾乎同時取得了經濟高速成長和消滅私營部門這兩個重大勝利，這使得決策層的信心前所未有地膨脹。隨後，他們在自負的道路上越走越遠。1958年，急於求成的毛澤東在工業和農業兩大領域同時發動「大躍進」，工業方面的目標是超過英國，農業方面的目標則是實現糧食和棉花產量一年翻一番。
1957年年底，毛澤東在莫斯科對赫魯曉夫說，15年後，我們可能趕上或超過英國，可是僅僅4個月後，這個時間表縮短到了7年，又過了兩個月，更是縮短到了兩年。毛澤東認定中國經濟超過英國的唯一評價指標是鋼鐵產量，他提出國民經濟「全面大躍進」的口號，要求經濟部門修改預定的指標，鋼的指標被定在了1070萬噸，一年之內要增長一倍。
就這樣，一個全民鍊鋼的高潮被掀起了。全國各地建起了數以十萬計的小高爐，人們滿懷熱情地日夜鍊鋼，很多人把家裡的鐵鍋、鐵盆、鐵門把等都捐獻了出來，倒進火紅的爐膛中。這一年，鋼產量達到創紀錄的1108萬噸，超額完成了一個不可能的任務。在這個數字的背後，卻隱藏著一個近乎自毀性的事實：1108萬噸鋼中有相當大的比重是用土法上馬的小高爐煉出來的，其中300多萬噸是毫無用處的廢鋼，小高爐煉出的900多萬噸生鐵既不能用於鑄造，也不能在鍊鋼後軋成有用的鋼材。全民鍊鋼不但中斷了正常的經濟活動，更嚴重破壞了生態環境，很多山上的樹被全部砍光。為了全民鍊鋼，各地迅猛地從農村招人進城，到年底，全國企業和國家機關職工人數達到4532萬人，比上一年末整整多了2082萬人，糧食供應形勢立刻嚴峻起來。肓目的樂觀和激進戰略，造成了國力的嚴重虛耗。
發生在農業領域的糧食「大躍進」同樣荒唐。根據毛澤東的要求，1958年的糧食指標為8000億斤，棉花則為6700萬擔，都比上一年增長了一倍多。《人民日報》發表社論《人有多大膽，地有多大產》，它成為1958年最出名、最響徹雲天的一個口號。各地農村紛紛造假，虛報糧食產量，小麥的畝產紀錄從絕無可能的1500斤「上漲」到無法想像的13.0434萬斤10兩4錢（當時1斤為16兩）。 新華社向全世界宣布，中國1958年糧食總產量達到3.5萬億斤，幾乎是上一年的10倍，一躍成為世界第一大產糧國。
在之後的三年，國民經濟如一位狂奔後虛脫了的運動員，由瘋狂躍進陡然跌入蕭條低迷。全國工廠關停近半，2000多萬新招職工被驅回農村。在農村，地方政府仍然以上一年虛報的數據向農民徵收糧食，農民不願交，就搞反右傾、反瞞產、反私分，甚至抓人、關人、打人，廣大鄉村出現了很多餓死人的現象。主管經濟的劉少奇也不得不承認，三年大饑荒是「三分天災，七分人禍」。「大躍進」對中國經濟造成的災難性後果，日後有許多論文和書籍進行了反思、總結。國家統計部門的數據顯示，「二五」期間（1958—1962年），全國工農業生產總值的年均增長率僅為0.6%，遠遠低於「一五」期間的10.9%。據美國學者麥克法誇爾在《文化大革命的起源》一書中的測算：「大躍進對國民經濟造成的全部損失現在估計是1000億元，幾乎兩倍於『一五』期間對基本建設的總投資（550億元）。」
到了1964年，蘇聯發生「宮廷政變」，赫魯曉夫被撤職並隔離審查，新上任的勃列日涅夫推行「新經濟體制改革」，「老師加兄弟」的中蘇關係全面惡化，蘇聯在中蘇、中蒙邊界陳兵一百萬。同時，美國出兵越南，中國遭遇兩個超級大國的「南北威脅」，中共決策層的判斷是，「戰爭不可避免，要立足於大打、早打、打核戰爭」。據此，中共中央作出了「三線建設」的重大戰略決策，把東北、華北和華東沿海一線、二線地區的重要工業企業向西部和西北等三線搬遷，毛澤東號召「好人好馬上三線」。
在中國工業史上，規模宏大而秘密的三線建設有多重的標誌性意義，它是繼1937年的戰時大內遷之後，第二次「工業西進」，而且是一次主動的、具有強烈計畫性的大行動。同時，它也是新中國成立以來，繼蘇援「156工程」之後，最集中、最重大的工業投資運動。從1964年到1980年的17年間，中央政府把計畫內50%的工業投資和40%的設計、施工力量投入到三線建設中，累計投入資金2052億元，建成了1100多個大中型軍事和重化工業項目。
可是，預想中的世界大戰並沒有「如期」爆發，龐大的「三線計畫」便成了又一次的國力虛耗。在布局上，三線建設以「立即要打仗」為假設前提，實施了「靠山、分散、隱蔽、進洞」等方針，把每個工廠，甚至每個車間都規劃建設得極為分散，有的甚至採取了「村落式」、「瓜蔓式」、「羊拉屎」式布局。用游擊戰、備戰化的方法進行工廠建設，低效率、高投資是可以想見的。由於三線建設是計畫經濟下的產物，上馬十分匆忙，規模非常龐大，加上政治動蕩、管理混亂等原因，浪費和損失很驚人。20世紀90年代中期以後，隨著國家戰略調整，大量地處大西南深山溝里的三線工廠被廢棄，當年國家投資幾十億元建設而成的廠區，後來如同一座座鬼城。