1955年1月15日，中央召開了書記處擴大會議，專門研究發展我國的原子能事業。
前一天，周恩來專門聽取了李四光關于鈾礦，錢三強關于原子核科學研究現狀的彙報，算是為第二天的會議做准備。
中央書記處擴大會議已開始，毛澤東就開宗明義："今天，我們這些人當小學生，就原子能有關問題，請你們來上一課。"
最後，毛澤東總結說："這件事總是要抓的。現在到時候了，該抓了。"
1956年11月16日，第一屆全國人大常委會決定，成立主管原子能工業的第三機械工業部（1958年2月11日改為二機部），宋任窮任部長，錢三強與劉傑、袁成隆、劉偉、雷榮天等被任命為副部長。他是副部長之中唯一的科學家。聶帥曾經對錢三強說過："搞原子能，你是行家，就請你提建議，我們大家商討決定。"
錢三強身為二機部副部長兼中國科學院副秘書長和原子能研究所所長，承擔著各相關技術協作項目的具體組織領導工作，其領導的原子能研究所還承擔著鈾-235的分離，中子物理與裂變物理，探測技術安全防護等方面的責任。他知道自己肩上的擔子有多重。他說："作為一個有愛國心的知識分子，此時此刻心里很清楚這對于中國的原子核科學事業，以至于中國曆史，將意味著什麼。前面有道道難關，而只要有一道攻克不下，千軍萬馬都會擱淺。"
1959年6月，蘇聯撤走專家後，聶榮臻副總理對錢三強說："我們要完全依靠自己的力量，來攻克原子彈、氫彈方面的尖端科學技術問題，我們一定要爭取在國慶15周年前後爆炸我國第一顆原子彈。至于人員選定，由你負責點將，點到哪個單位，哪個單位都不能打折扣。"
盡管壓力巨大，但這是錢三強最繁忙、也是心情最舒暢的日子。他說："曾經以為是艱難困苦的關頭，卻成了中國人干得最歡、最帶勁、最舒坦的黃金時代。"
1960年，他推薦原子能研究所副所長王淦昌和彭桓武，力學研究所副所長郭永懷，到核武器研究所任副所長，他們一起領導了核武器攻關小組。經過四年努力攻關，研制成功擴散分離膜、六氟化鈾、點火中子源等。其中的擴散分離膜是鈾-235生產中的最關鍵、最機密的部分，被蘇聯人稱之為"社會主義安全的心髒"，從不讓中國的科學家靠近。
這些成績的取得，無不和錢三強領導的原子能所有關。下面的數字或許更能說明問題。據統計，從1959年至1965年7月，從原子能研究所調出的科技人員共計914人，其中正副研究員、正副總工程師28人，助理研究員、工程師147人，研究實習員、技術員712人。同時，還為兄弟單位培訓了1706名科技干部。這些人員多數都成為我國"兩彈"攻關和核科研中的中堅力量。1962年11月，中央專委成立後，為加快原子彈的研制，決定兵分兩路，一路繼續搞原子彈技術，一路直接奔赴一線搞核試驗。為此，張愛萍請錢三強推薦一位核試驗的領軍人物。錢三強推薦了原子能所的副所長程開甲。因此，曾有人說，原子能所是"兩彈"研制的"老母雞"。還有人說，在中國研制"兩彈"的豪邁進軍中，原子能研究所是"滿門忠孝"。
1964年10月16日，中國第一顆原子彈的巨響，震驚了世界。
可具有諷刺意味的是，中國第一顆原子彈爆炸成功後僅僅三天，錢三強就被派往河南農村參加"四清"運動，接受貧下中農的再教育。