1966年3月8日凌晨，邢台发生大地震，8000多人遇难。周恩来赶赴地震现场，召开现场会议。邢台发生第二次地震，比第一次更为严重。周恩来再次亲赴震区，并乘直升机赶往隆尧县白家寨慰问灾民。

3月22日，邢台地区再次发生7.2级大地震，周恩来再次投入抗震救灾工作，并再次前往地震灾区指导救灾工作。原子弹试验成功，科学家们很快开始了两弹结合的试验，研制能够真正用于实战的核导弹。

两弹结合试验前，周恩来召集聂荣臻、钱学森等有关负责同志开会。讨论核导弹在飞行过程中所经过地区的安全问题。周恩来陪同阿尔巴尼亚党政代表团参观大庆油田。周恩来组织大庆各级领导和工人代表会议，积极肯定了大庆油田的成绩。   

周恩来因担心文革对国防建设的影响，第五次来到导弹基地视察，并同基地人员一起联欢，鼓励并预祝两弹结合试验马到成功。核导弹经过九分十四秒的飞行，风行距离八百九十四公里，精确命中目标，在地面五百六十九米的预定高度实现爆炸！“两弹结合”试验的成功，标志着我国有了可以用于实战的导弹核武器。这一年，我国组建了战略导弹部队，周恩来亲自命名为——第二炮兵。

美国当局获悉中国核导弹爆炸成功的消息，开会，商讨应对计划。蒋介石得知这一新闻后无比震惊和愤怒，同时意识到完全依靠美国是没有出路的，并决定要派人潜入大陆，破坏中共的“氢弹研制项目”。余秋里、谷牧两位同志向周恩来汇报文革对铁路运输和经济的影响。周恩来顶着巨大的压力，竭力维护一片混乱的生产、交通等秩序的运转，要求立刻恢复生产，恢复交通运输。   

即使在文革的干扰下，由周恩来亲自主持的氢弹研制工作仍在紧锣密鼓的进行，十二月二十八日我国氢弹原理试验取得了成功。周恩来连续超负荷的工作和内心的极度焦虑，严重损害了他的身体，他开始频频出现心脏不适的症状，可是他还是无比拼命地工作，并道出了“为了国家和人民，鞠躬尽瘁，死而后已”的信念。

1967年6月17日，进过2年8个月的艰辛研制，我国第一颗氢弹终于要爆炸了。氢弹爆炸成功，罗布泊上空出现了两个太阳，罗布泊上空的这声巨响，让世界再次为之一震。

1967年7月，国家批准组建空间技术研究院，有钱学森兼任院长。根据周恩来的指示，空间研究院的科研人员一律穿上军装，以便在“文革”中得到特殊保护。钱学森立志一定要研制出我国自己的人造卫星。