在第一颗原子弹爆炸成功之后，另一个重要的问题提上了议事日程。那就是原子弹的武器化。
在原子弹作为武器使用的时候，可以用飞机在空中投掷，也可以用导弹发射。中国的第一颗原子弹爆炸成功是采取铁塔方式。因此，在第一颗原子弹爆炸成功之后，中国就立即开始部署用空投方式进行核爆炸试验。
1965年5月14日，中国第一颗空投原子弹爆炸获得成功。
但是，空投的作战使用价值远远不如用导弹发射。一些发达国家研制成功原子弹以后，主要是以导弹为运载工具，把核弹头送到预定的地点实施核爆炸。原子弹和导弹“两弹结合”，即为导弹核武器，导弹核武器的作战威力比单纯的原子弹更大。美国和苏联为了争取导弹核武器上的优势，进行了激烈的竞争。为了打破超级大国的核垄断，不受超级大国的核威胁和核讹诈，毛泽东果断决策，中国也要发展导弹武器。
早在1963年12月，中央有关部门就作出了核武器研究方向以导弹为主、核航弹为辅的决策。导弹研究院的科技专家和工程技术人员还就原子弹和导弹相结合问题进行了多次技术论证与协调，对某些项目进行专题研究试验。但当时的主要精力集中在研究原子弹上。第一颗原子弹爆炸成功前夕，中共中央对导弹核武器的研究和近期发展目标作了明确部署。
第一颗原子弹爆炸的成功，使研究导弹核武器有了更好的基础。在完成空投原子弹爆炸试验之后，中国立即投入了“两弹结合”试验。
经过一系列的单项试验和技术准备，中共中央有关部门于1966年3月批准了进行原子弹、导弹结合的飞行试验。
3月11日，周恩来总理主持召开会议，决定在西北综合导弹试验基地上进行导弹核武器发射试验，并确定了试验的步骤：先进行“冷试”，即导弹不装核材料，再进行“热试”，即实施原子爆炸。核弹爆炸后的落弹区为罗布泊某核试验场。
在自己的国土上进行原子弹发射试验，必须保证导弹飞行弹道下面居民的绝对安全，万一导弹飞行不正常，把原子弹丢在预定落弹区以外，就不仅仅是技术问题了。为了对人民高度负责，必须采取最严格最可靠的安全措施，国防科工委在3个月内两次组织专家审查了“两弹结合”的技术方案，仔细讨论了一旦发生意外情况时的处置方法，具体安排各项保障措施。
6月30日，周恩来总理乘专机来到西北综合导弹试验基地，亲自检查指导工作。周恩来要求国防科工委的领导和有关专家一定要做到“严肃认真，周密细致，稳妥可靠，万无一失”。周恩来还特别强调：在该做的工作都做好之后，也要敢于冒一定的风险，无限风光在险峰啊！要沉着地打好这一仗。
10月7日，有关部门又进行了一次考核导弹安全自毁系统的空爆试验，以确保在万一情况下，弹头体能及时炸毁，而核弹头不发生爆炸。
10月8日、20日，周恩来两次主持召开中央专委会议，专门讨论保障“两弹结合”试验的顺利进行问题，并决定派聂荣臻前往导弹发射试验场主持试验。
12月25日，聂荣臻赶赴西北综合导弹试验基地。在听取了试验基地党委会对发射区和弹着区进行的分析后，聂荣臻同意按照12月27日正式发射来安排工作。
1966年12月27日9时10秒，一声令下，核导弹点火升空，随着轰隆隆一声巨响和滚滚翻腾的烟云，核弹头按预定弹道向弹着区飞去。9时9分14秒，经过9分4秒的飞行，导弹核弹头按预定计划在靶心上空569米的高度上爆炸，一个火球闪出耀眼的强光，剧烈翻腾的蘑菇云袭袅上升……
原子弹、导弹“两弹结合”试验获得成功。
当新华社发表新闻公报：1966年10月27日，中国在本国的国土上，成功地进行了导弹核武器的试验。导弹飞行正常，核弹头在预定的距离精确地命中目标，实现核爆炸。