氫彈是比原子彈威力大得多的核武器，各有核國家在掌握了原子彈製造技術之後，都立即發展氫彈。因此，中國在原子彈試驗成功之後，也把氫彈研究列入了發展計劃。原子彈試驗成功之後，周恩來就指示第二機械工業部，要求集中力量搞好氫彈的理論研究，提出加快氫彈研製的計劃。1965年1月，即中國原子彈爆炸成功3個月後，毛澤東指示，原子彈要有，氫彈也要快。劉少奇則指示，要像炸響原子彈那樣，早日炸響氫彈。經研究，中央有關方麵對氫彈研製成功的時間確定為1968年。“快”和“早”成為氫彈研究的口號。1966年初，毛澤東根據國際形勢的變化，又作了進一步指示，他說，管他什麼國，管他什麼彈，原子彈、氫彈我們都要超過他們。
中國首次原子彈試驗的蘑菇狀煙雲僅僅用了一年多時間，到1966年底，就完成了氫彈原理試驗的準備工作，這時，“文化大革命”已經開始，一些造反派把鬥爭的矛頭指向了出身不好的科學家，為此，周恩來和軍隊的直接負責人，不得不親自出麵保護這些科技英才。經周恩來同意，1966年12月28日進行了小當量氫彈理論試驗，這枚爆炸威力為TNT當量12.2萬噸級的小型氫彈試驗，獲得了圓滿成功。通過這次試驗，中國的科學技術人員，掌握了氫彈原理和製造氫彈的關鍵技術。成為繼美國、前蘇聯和英國之後，第四個掌握氫彈技術的國家。
1967年初，中國領導人從有關部門得到消息，法國人可能在當年7月份試驗氫彈。領導人和科學家們的一致反應是，一定要在法國人之前炸響氫彈。經研究，初步確定在1967年6月進行150至300萬噸TNT當量的氫彈試驗。這次試驗，決定用空投方式試驗。方案和時間確定之後，各個環節上的人員同時開展工作。
核研究人員進行氫彈的組裝工作。飛機製造部門立即用中國自己製造的轟-6飛機改裝，使之能夠裝載並投擲氫彈。3個月後，改裝工作完成，飛機開始進行空投訓練。試驗場區也按照試驗要求積極準備各項必須的設備。到6月5日，核武器研製基地的最後加工工作全部完成，並作了初步檢驗，證明一切符合規定的條件。試驗工作可以在6月份進行。
1967年6月17日8時，裝載氫彈的轟-6甲飛機準時升空。10分鍾後，這架飛機飛抵試驗場區中心位置，指揮部下達了投擲的命令，可是，飛行員太緊張，竟然漏掉了關鍵動作，所以，第一次竟然沒有把彈投出去。根據命令，飛行員在空中轉彎後又飛臨場區上空。指揮中心再一次發出了投擲的命令。這一次駕駛員沒有遺漏任何操作環節。氫彈順利出艙，飛行員按照命令迅速飛離爆炸場區上空。氫彈在距地3000米處爆炸。爆炸威力為300萬噸TNT當量。中國的氫彈試驗獲得了圓滿成功。
我國從原子彈試驗到氫彈試驗成功，僅僅過了3年時間。氫彈的試驗成功，標誌著中國完成了核武器試驗的兩個階段。這一成功，打破了美國和前蘇聯兩個超級大國壟斷核武器的局麵。