共和国正式成立半年前，中共领导人就派物理学家钱三强前往欧洲参加和平大会。他此行的目的就是为了筹集建立现代物理研究所所必需的资料和设备。在法国科学家弗雷德里克·约里奥·居里的帮助下，这一目的达到了。
1950年初，中国科学院成立了近代物理研究所(后改名为原子能研究所)。1953年春，中科院代表团一行人赴苏进修核技术，但他们只接触到了几名丝毫不了解核技术课题的一般科研人员。
1954年10月，在赫鲁晓夫访华期间，毛泽东第一次提出请苏联帮助中国制造核武器。赫鲁晓夫没有做出任何承诺，并劝说毛泽东放弃这一“不切实际”的计划，认为中国不具备相应的工业基础和经济实力。但是，从1955年到1958年间，双方还是签署了几项相关的协议。
1955年1月22日签署的协议规定，双方共同在新疆进行地质勘探，并开采铀矿。作为回报，中国政府有义务向苏联提供剩余的铀。勘探发现，中国蕴藏着丰富的制造原子弹的原料，其中西北地区的储量首屈一指。
1956年4月7日签署的关于帮助中国建设军事和民用设施的苏中协议规定，将铺设从阿克斗卡至兰州的铁路，以便向设在罗布泊的第一座核武器实验中心运送设备。
从1956年到1967年的12年间，中国的科学精英们在核武器的研制上刻苦钻研，来自苏联的640名科学家也参与其中。主要研究内容包括：原子能的和平利用、放射技术、半导体技术、计算机开发以及“国防方面的专门问题”。为了促进这些宏伟计划的实现，中国政府“请求苏联以及其他人民民主国家在这些方面予以多方支持”。
在中国向苏联政府所提的请求中，摆在首位的是帮助发展国防和原子能工业。1956年初，中共中央委员会决定将火箭和原子能研究作为主要军事计划。从已有文献判断，赫鲁晓夫在1954年至1957年间只同意与中国在用于和平目的的原子能领域里发展合作，这对中国来说远远不够。
负责中国核计划的聂荣臻元帅回忆道，1956年波兰和匈牙利事件发生后，赫鲁晓夫“在向中国提供复杂的技术帮助方面再让了一步”。1957年9月，中国代表团赴莫斯科谈判。赫鲁晓夫刚刚在党内派别交锋中战胜莫洛托夫及其拥护者。他十分希望毛泽东亲自出席那年在莫斯科举行的共产党和工人党会议，以此间接表明对自己的支持。毛泽东审时度势，提出只有签订了向中国转让生产核武器及其运载工具的材料和模型的军事技术协议后，他才前往莫斯科。
有关协议于1957年10月15日签署。苏联同意提供原子弹教学模型、图纸及文件，但拒绝提供制造核潜艇的材料。1958年上半年，负责转让原子弹模型及相关生产技术的苏联专家开始陆续来到中国。根据中方资料，莫斯科还提供了两枚地对地近距离导弹模型。到1958年中期，中国的工程师们已经为原子弹爆炸准备好了模拟实验室，苏联专家却几次以安全系数低为由推迟实验。
苏联领导人毫不怀疑毛泽东准备爆炸原子弹的决心。苏联科学院院士阿布拉姆·约费回忆道：“上面下达的指示是，向中国提供苏联新制订的最完备方案。而参与此项任务的专家们比自己的上级更了解政治局势，仅仅提供了旧方案。但苏联原子弹事务驻华代表处顾问扎季基扬发现了这一点，并向上作了汇报。最终还是提供了最完备的技术，但此后不久苏联同中国的关系就决裂了。”
中苏原子能合作在1958年6月达到了高潮。当时，中科院原子能研究所在苏联协助下建立的第一座实验重水型核反应堆投入使用。1959年夏天，形势已经清楚，苏联将不向中国提供制造原子弹的全面技术。周恩来说，我们自己造，从零开始，用8年时间造出来。但是，由于大跃进和政治运动，中国的原子弹计划严重受阻。
1960年，苏联召回1292名专家，更使中国雪上加霜。制造核武器的期限被推迟。1961年7月，中国举行了一次军工企业工作者会议，与会者激烈地讨论着：在经济困难的条件下，是否应当继续研制原子弹和运载工具？
毛泽东没有出席会议，但要求再次讨论一个问题：中国应当走什么道路？在召开第二次会议的时候，中国已经拥有短程火箭，并掌握了先进军事设备的制造技术，其中包括试验原子弹所需要的设备。中国人因此得出结论：中国也能够独立造出原子弹。外交部长陈毅说，我们即使没有裤子穿，也要拥有世界水平的武器。
1962年8月，聂荣臻向中国领导人报告，1965年以前就可以试验原子弹。北京时间1964年10月16日13时，中国成功试爆了第一颗原子弹。