在第一顆原子彈爆炸成功之後，另一個重要的問題提上了議事日程。那就是原子彈的武器化。
在原子彈作為武器使用的時候，可以用飛機在空中投擲，也可以用導彈發射。中國的第一顆原子彈爆炸成功是採取鐵塔方式。因此，在第一顆原子彈爆炸成功之後，中國就立即開始部署用空投方式進行核爆炸試驗。
1965年5月14日，中國第一顆空投原子彈爆炸獲得成功。
但是，空投的作戰使用價值遠遠不如用導彈發射。一些發達國家研製成功原子彈以後，主要是以導彈為運載工具，把核彈頭送到預定的地點實施核爆炸。原子彈和導彈「兩彈結合」，即為導彈核武器，導彈核武器的作戰威力比單純的原子彈更大。美國和蘇聯為了爭取導彈核武器上的優勢，進行了激烈的競爭。為了打破超級大國的核壟斷，不受超級大國的核威脅和核訛詐，毛澤東果斷決策，中國也要發展導彈武器。
早在1963年12月，中央有關部門就作出了核武器研究方向以導彈為主、核航彈為輔的決策。導彈研究院的科技專家和工程技術人員還就原子彈和導彈相結合問題進行了多次技術論證與協調，對某些項目進行專題研究試驗。但當時的主要精力集中在研究原子彈上。第一顆原子彈爆炸成功前夕，中共中央對導彈核武器的研究和近期發展目標作了明確部署。
第一顆原子彈爆炸的成功，使研究導彈核武器有了更好的基礎。在完成空投原子彈爆炸試驗之後，中國立即投入了「兩彈結合」試驗。
經過一系列的單項試驗和技術準備，中共中央有關部門於1966年3月批准了進行原子彈、導彈結合的飛行試驗。
3月11日，周恩來總理主持召開會議，決定在西北綜合導彈試驗基地上進行導彈核武器發射試驗，並確定了試驗的步驟：先進行「冷試」，即導彈不裝核材料，再進行「熱試」，即實施原子爆炸。核彈爆炸後的落彈區為羅布泊某核試驗場。
在自己的國土上進行原子彈發射試驗，必須保證導彈飛行彈道下面居民的絕對安全，萬一導彈飛行不正常，把原子彈丟在預定落彈區以外，就不僅僅是技術問題了。為了對人民高度負責，必須採取最嚴格最可靠的安全措施，國防科工委在3個月內兩次組織專家審查了「兩彈結合」的技術方案，仔細討論了一旦發生意外情況時的處置方法，具體安排各項保障措施。
6月30日，周恩來總理乘專機來到西北綜合導彈試驗基地，親自檢查指導工作。周恩來要求國防科工委的領導和有關專家一定要做到「嚴肅認真，周密細緻，穩妥可靠，萬無一失」。周恩來還特彆強調：在該做的工作都做好之後，也要敢於冒一定的風險，無限風光在險峰啊！要沉著地打好這一仗。
10月7日，有關部門又進行了一次考核導彈安全自毀系統的空爆試驗，以確保在萬一情況下，彈頭體能及時炸毀，而核彈頭不發生爆炸。
10月8日、20日，周恩來兩次主持召開中央專委會議，專門討論保障「兩彈結合」試驗的順利進行問題，並決定派聶榮臻前往導彈發射試驗場主持試驗。
12月25日，聶榮臻趕赴西北綜合導彈試驗基地。在聽取了試驗基地黨委會對發射區和彈著區進行的分析後，聶榮臻同意按照12月27日正式發射來安排工作。
1966年12月27日9時10秒，一聲令下，核導彈點火升空，隨著轟隆隆一聲巨響和滾滾翻騰的煙雲，核彈頭按預定彈道向彈著區飛去。9時9分14秒，經過9分4秒的飛行，導彈核彈頭按預定計畫在靶心上空569米的高度上爆炸，一個火球閃出耀眼的強光，劇烈翻騰的蘑菇雲襲裊上升……
原子彈、導彈「兩彈結合」試驗獲得成功。
當新華社發表新聞公報：1966年10月27日，中國在本國的國土上，成功地進行了導彈核武器的試驗。導彈飛行正常，核彈頭在預定的距離精確地命中目標，實現核爆炸。