邓稼先就任二机部第九研究所理论部主任后,先挑选了一批大学生,准备有关俄文资料和原子弹模型.1959年6月,苏联政府中止了原有协议,中共中央下决心自己动手,搞出原子弹、氢弹和人造卫星.邓稼先担任了原子弹的理论设计负责人后,一面部署同事们分头研究计算,自己也带头攻关.在遇到一个苏联专家留下的核爆大气压的数字时,邓稼先在周光召的帮助下以严谨的计算推翻了原有结论,从而解决了中国原子弹试验成败的关键性难题.数学家华罗庚后来称,这是“{集世界数学难题之大成”的成果.
邓稼先不仅在秘密科研院所里费尽心血,还经常到飞沙走石的戈壁试验场.1964年10月,中国成功爆炸的第一颗原子弹,就是由他最后签字确定了设计方案.他还率领研究人员在试验后迅速进入爆炸现场采样,以证实效果.他又同于敏等人投入对氢弹的研究.按照“邓-于方案”,最后终于制成了氢弹,并于原子弹爆炸后的两年零8个月试验成功.这同法国用8年、美国用7年、苏联用4年的时间相比,创造了世界上最快的速度.
1972年,邓稼先担任核武器研究院副院长,1979年又任院长.1984年,他在大漠深处指挥中国第二代新式核武器试验成功.翌年,他的癌扩散已无法挽救,他在国庆节提出的要求就是去看看天安门.1986年7月16日,当时的副总理李鹏前往医院授予他全国“五一”劳动奖章.同年7月29日,邓稼先去世.他临终前留下的话仍是如何在尖端武器方面努力,并叮咛：“不要让人家把我们落得太远……