報告送上去後，聶帥心里仍不踏實。因為，他在報告里說，各原子能部件或元器件工廠可爭取于1962年至1964年先後投產，隨後即可制造試驗用的原子彈。他這個判斷是基于核工業的整體狀況作出的，這樣的判斷准不准確，能不能落到實處，尤其是究竟需要多少投入，國家是否承擔得起，為此，幾個老帥曾認真商議了一番，就派張愛萍帶隊下去調查摸清情況。
最後，張愛萍在提交的調查報告中說，1964年爆炸第一顆原子彈是可行的。
那個時候，為落實這個判斷，二機部就提出來要搞一個兩年規劃。聶帥鼓勵說，這樣好，這樣就有了目標。對實現這個目標，他特別提出來一要緊，二要穩。當然，他不僅提出任務，而且提供一切便利條件，支持二機部完成任務。要人給人，要物給物。在他的主持下，二機部從各部門和地方抽調了一大批科技人員。他曾跟劉傑說，你調人有困難，可以去找我老伴，她叫張瑞華，在中組部工作，就管這個事兒。他還調部隊相關人員來保障工程技術人員的生活。
1962年11月，負責"兩彈"工程的15人專門委員會成立，聶帥是主要領導人之一。
聶帥根據中央專委成立時，毛澤東"要大力協同"的批示，結合革命戰爭年代組織大兵團作戰的經驗，明確提出了"科研攻關的五個方面軍，即國防研究機構、中國科學院、工業部門、高等院校和地方研究機構大力協同，互相支援"的基本辦法。聶帥要求，國防科委與中國科學院組成導彈攻關協作組和原子彈攻關協作組。同時，中國科學院還成立了一個新技術局，動員二十多個研究所的大部分科研力量，共同承擔了三百多個科研項目的協作任務，大力加強"兩彈"的攻關力量。連同其他科研部門、工業部門和高等院校在內，在全國逐步形成了"兩彈"攻關的大協作網。
聶帥把解放戰爭中組織大兵團作戰的指揮藝術，運用到科技工作中，對此，錢學森在1989年12月25日祝賀聶帥90壽辰的信中說："是您協助周恩來總理在社會主義中國創立了現代高技術，也就是尖端技術，從研究、設計、試制、試驗直到定型生產的一整套組織管理的制度和方法。我想，這是把40年代後期中國人民解放軍大兵團作戰的成功經驗，運用到現代大科學工作上來了。這一整套組織管理的制度和方法，不僅是科學的，而且也是結合我國實際的，是社會主義的。它們不但在過去'兩彈一星'事業中成功的，現在的國家高技術工作也應該采用……"
專門委員會總攬全局，將尖端武器研制工作的紛繁頭緒條分縷析，明確任務，使各方面軍的協作更加緊密。
多年之後，聶帥回首當年，仍滿懷自豪與欣喜："我認為在當時我國大量的科學研究工作，尤其是導彈、原子彈、現代高性能飛機和艦艇、複雜的電子設備等完全處于空白狀態的情況下，在機構建設上我們采取集中力量、形成拳頭的做法是正確的。實踐證明，這樣做，能夠較快地摸索清情況，開展工作，組織協作，攻破難關，取得研究成果。"
1964年10月16日，中國第一顆原子彈爆炸時，前線總指揮是張愛萍，聶帥在後方的北京。