60年代初,在國內遇到嚴重困難,蘇聯撤走全部專家、停止一切技術援助的情況下,聶榮臻先後兩次向中共中央和毛澤東、周恩來等領導人寫報告,明確提出“兩彈一星”必須堅持“攻關”,並進一步強調必須堅持“自力更生為主,力爭外援和利用資本主義國家已有的成果為輔”的方針。這一遠見卓識的方針,得到了毛澤東、周恩來的贊同和支持,並得以實施。經過幾年艱苦努力,終於在1964年6月,我國成功發射了自行研製的第一枚中近程地對地導彈,10月16日第一顆原子彈爆炸成功,之後又連續研製成功導彈核武器、氫彈,並於1970年4月24日,成功發射第一顆人造地球衛星,自此,《東方紅》樂曲響徹全宇宙。在組織實施許多重大科技項目過程中,聶榮臻多次深入現場進行調查研究和指導工作。“兩彈一星”的研製成功,凝聚了聶榮臻的大量心血,標誌著我國國防科技事業取得了突破性成就。