1966年3月11日，周恩來在人民大會堂新疆廳，主持召開中央專委第十五次會議，討論兩彈結合試驗的問題。中央專委辦公室副秘書長劉柏羅問道："這次試驗是真試還是假試？"
周總理說："當然是真試，要在8月底前完成一切准備工作，核工業部和導彈工業部互派工作組深入有關研究院、工廠進行落實工作，國防工委負責檢查落實。"
1966年6月30日下午2點40分，周恩來在訪問羅馬尼亞、阿爾巴尼亞的回國途中，親自到達酒泉導彈試驗基地，檢查、了解首次核彈與導彈結合飛行試驗的准備情況。
1966年9月28日，周恩來以中央專委名義，向導彈試驗基地發去電報，明確指出："這次試驗是核爆炸試驗，用導彈運載，在大陸上進行，這在國際上是創舉，要確保質量，絕對可靠，絕對安全，要求只能成功，不能失敗，不能出事，出了事影響太大，不單是一個技術問題，還是個政治問題，首先要把合練切實搞好，保證不要出事。"
周恩來之所以這麼說，是因為有前車之鑒。那是在1961年，我國自行設計的"東風2型"導彈進行第一次試驗發射時，升空不久，軌道出現偏離，竟一頭栽了下來。
檢查原因是，發射前不被重視的17項試驗等，都必須被確立為發射前必須要完成的工作。做不完這17項試驗，不准赴靶場進行飛行試驗。
科研人員經過無數次反複計算、推敲和試驗。在我國第一顆原子彈爆炸前4個月，"東風2型"導彈發射成功。這一切都是在極其秘密的情況下進行的。到第一顆原子彈發射成功之前，就出現了中國有子彈沒有槍的議論。可實際上，我們已經先有了槍了，只是外邊不知道而已。
"東風2型"試驗成功了，但周恩來仍提出了"十六字"要求："嚴肅認真，周到細致，穩妥可靠，萬無一失。"實際上，導彈本身已裝有自毀裝置，如果在導彈飛行過程中發生故障，無法正常飛行，可由地面指揮發出指令將彈體炸毀。同樣，核彈頭也裝有保險開關，如果導彈彈體自毀，則保險開關處于關閉狀態，不會引起核彈爆炸發生核裂變。周總理曾對"兩彈"專家們說："進行這樣的試驗，我總是不放心，怕掉下來，二、七機部（即後來的航空航天部）研究一下，七機部保證不掉下來，二機部（即核工業部）研究萬一掉下來，保證不會核爆炸。"
毛澤東對這次試驗也相當重視，因為自從中國塔爆原子彈之後，西方評論就諷刺說，中國有彈無槍。意思是說，中國只有原子彈卻沒有發射工具，打不出去，就形同虛設。毛澤東在1966年10月24日，專門召見聶榮臻和錢學森，聽取情況彙報。當毛澤東聽到發射准備工作已基本就緒時，笑著說："誰說我們中國搞不成導彈核武器，我們不是搞出來了嗎？……"臨別，毛澤東說："……這次要准備打敗仗，打了敗仗也不要緊，接受教訓就是了。"
這次試驗，帶有核彈頭的導彈從酒泉火箭發射基地發射後，按照預定程序有一個轉彎，再飛向羅布泊核試驗場。導彈飛行軌跡經過的城市和村莊，按照中央軍委的命令，以防空演習的名義，進行了人員疏散。
周恩來特別關注彈道經過的蘭新鐵路邊有5萬居民的柳園地區的安全，專門詢問："落到那個地方的可能性有多大？"後來，經過計算，可能性十萬分之六。但為了萬無一失，仍然全部撤離。