可能是预感到国内的形势越来越不乐观，继1966年3月11日召开中央专委会第十五次会议后，周恩来又在四五月间，连续三次主持召开专委会会议，研究进行热核试验等问题。终于抢在《五一六通知》下发前，在5月9日，成功进行了一次热核试验，即通常所说的第三次核试验。

　　周恩来的军事秘书回忆说：“1966年6月30日，周恩来还亲自到火箭发射试验基地视察工作。同年9月，当我国核弹、导弹结合试验的工作准备就绪时，周恩来又亲自过问实验工作的许多细节，包括导弹飞行弹道、爆点、安全自毁装置等，并一再指示，要绝对保证安全。直到国防科委、二机部、七机部对‘两弹’结合的保险措施和安全自毁装置‘冷’试验和‘热’试验的安全可靠性进行了证实后，周恩来才放下心来。”

　　“文革”狂飙中的9月25日，周恩来主持召开了中央专委会第十六次会议。他既要表态支持“文革”，又要最大限度地保证国防科技事业少受干扰，其把握难易程度，不言自明。他在会上宣布：“中央已决定，工厂企业、研究机关、农村、党政机关、群众团体一律不组织红卫兵。已经组织了的，要协商取消。把劲头用到科研生产上去。原子弹爆炸，有专家的功劳。这些人不是资本家，不是右派，只要他们积极工作，即便是在思想上有毛病，在工作上还是要团结。”

　　10月8日，周恩来明确提出，对核试验要武装保卫，排除“红卫兵”的干扰，保证试验安全进行。

　　10月27日，装备核弹头的地对地导弹东风二号，准确命中目标，“两弹”结合飞行试验获得成功。

　　周恩来又不失时机地指出：“‘两弹’结合进展顺利，接着要抓战术导弹（地空、海防)。”

　　在此期间，专门委员会还原则批准研制攻击型潜艇。

　　12月11日，周恩来在中央专委会第十七次会议上，提出了要研制人造卫星。同时，为使核武器系列化，周恩来提出，1968年要把“东风3号”搞出来，“东风4号”可以试，洲际导弹也可能搞出来，全部在这四年内(1964~1968)解决。并同意在当年12月底或次年1月初进行这两次试验。

　　1967年，局势更加混乱，夺权风也刮到了国防科技领域。周恩来为了保护中央专委和国防科技骨干，想方设法阻止“造反派”夺权，而“造反派”却打着“革命”旗号恣意妄为。这个度如何把握，实际上要比走钢丝还难。针对二机部“造反派”夺了党委领导权一事，他气愤地说：“你们简直没边了。部党委上面还有中央，不能叫部党委靠边站。”又说，“与国防工业相关的各部部长、司局长，除中央已宣布停职反省的外，你们一个也不能扣留。否则，你们就要犯错误。没经中央批准，你们宣布罢官是不算数的。现在对干部的斗争方式已发展到打人、挂牌、游街，这是‘左’倾路线的恶劣作风，是‘残酷斗争、无情打击’了。我看了心里很难过。如果不指出来，让这样发展下去，我就有罪了。”