1964年中國第一顆原子彈爆炸成功後，西方有人譏笑中國有“彈”無“槍”。其實，中國導彈早在原子彈爆炸前就研製成功了。1963年4月，聶榮臻在軍工領導幹部會議上說：“兩彈”結合要儘早過關，這不但是個軍事問題，也是政治問題。9月3日，聶榮臻在聽取劉傑、錢三強、朱光亞彙報時說：“中國發展核武器，最後著重是要搞戰略導彈用的核彈頭。因為中國空軍力量薄弱，空投原子彈難起作用。1964年二機部要準備好地面核試驗，1965年準備好空爆核試驗，1966年準備好核導彈試驗，1967年爭取試驗氫彈。”1963年12月，中央專委決定：“核武器的研究方向，應以導彈頭為主，空投彈為輔。”1964年5月，聶榮臻對五院和二機部提出，“兩彈”總設計師錢學森和錢三強都要參加研製核導彈。9月1日，周恩來主持召開中央專委會議，決定成立由錢學森領導的“兩彈結合”方案論證小組。
1965年2月，中央專委批准二機部《關於加速發展核武器問題的報告》，決定改進增大中近程地地導彈的射程，並用其進行核導彈試驗。11月，國防科委和二機部認為，地下核試驗不能考驗原子彈頭在實際飛行狀態下是否符合要求，提出暫不進行地下核試驗，而是先進行沒有核彈頭的導彈“冷”試驗，然後再進行“兩彈”結合的“熱”試驗。3月11日，周恩來主持召開中央專委會議，聽取並批准關於“兩彈”結合的試驗論證報告。
聶榮臻（左）與朱光亞在核試驗場
“文化大革命”爆發後，一批有關核試驗的絕密資料被造反派抄走，聶榮臻命令想盡一切辦法追回來。他隔兩個小時就給北京衛戍區司令員傅崇碧打一次電話，直到追回這批絕密材料。6月22日，聶榮臻起草《關於在文化大革命中對待自然科學工作者的幾個政策界限》。6月23日，聶榮臻聽取中國科學院彙報“文化大革命”情況時說：“知識分子是國家現代化建設的寶貴財富。應當盡力保護他們。”聶榮臻一有機會就向中央建議，要保護像錢學森、華羅庚這樣的著名科學家。在中共八屆十一中全會上，經過聶榮臻努力，保護科學家寫進中共中央《關於無產階級文化大革命的決定》中。8月23日，在第五十五次中央軍委常委會上，聶榮臻提出：“兩彈”試驗基地的任務很重，有些科研單位的情況也是如此，“文化大革命”應該推遲。建議與解放軍師以下部隊一樣，只進行正面教育。中央軍委接受了這個建議，指示國防科委具體貫徹執行。
9月25日，聶榮臻參加第十六次中央專委會議，討論“兩彈”結合飛行試驗時間的大體安排和氫彈原理試驗的準備情況。
10月初進行“兩彈”自毀試驗，中旬兩次進行“冷”試驗。10月20日，周恩來召集中央專委會議，研究“兩彈”結合的“熱”試驗。大家一致認為風險極大，萬一核彈頭在發射場爆炸，或發射後中途掉下來，或偏離彈著區，都將造成不堪設想的後果。試驗只能成功，不能失敗，一定要萬無一失。聶榮臻當即表示要去現場主持試驗。10月24日晚，聶榮臻同周恩來、葉劍英到釣魚臺國賓館，向毛澤東彙報“兩彈”飛行試驗的準備情況。
10月25日9時30分，聶榮臻乘專機到達綜合導彈試驗基地。下午，他聽取張震寰、李福澤、李覺、錢學森等人彙報，瞭解發射區、彈著區未來48小時氣象分析和預報。聶榮臻同意基地黨委意見，按10月27日正式發射核導彈來安排各項工作，要求仔細做好各項準備。聶榮臻著重詢問核導彈飛行中一旦出意外時的安全自毀系統，又詢問了核導彈飛經地區的居民安全措施。得知居民已疏散，有關單位就近準備了許多汽車和救護分隊，萬一發生意外，可以緊急救護，聶榮臻滿意地點點頭。
10月26日上午，聶榮臻到現場瞭解核彈頭的準備狀況，下令將地地導彈和核彈頭分別運到發射陣地。下午，聶榮臻來到發射陣地，觀看專家和工程技術人員進行“兩彈”對接和通電試驗。這項工作極其危險，大家勸聶榮臻到掩蔽部去，而聶榮臻則搬了把椅子坐下說：“你們什麼時候對接通電完成，我就什麼時候離開。”“兩彈”對接順利完成，聶榮臻與在場的所有人員合影留念。
核導彈發射時間定在10月27日9時，聶榮臻提前一小時來到指揮部。發射前15分鐘，核導彈預定彈著區的高空出現一股預報外的6級高空風，聶榮臻電話報告周恩來，周恩來讓他現場決定。聶榮臻與專家緊急磋商，氣象部門判定大風每小時向西南移動50公里，預計發射時將移出彈著區；且大風比核彈頭的預爆點要高很多，即使彈著點偏移，也不會超出允許的公算偏差，核煙塵不會影響到基地生活區的安全。聶榮臻報經周恩來同意，決定按原計劃發射。9時，中國自行設計研製的第一枚核導彈飛離發射架，從甘肅和內蒙古交界的巴丹吉林沙漠飛往新疆羅布泊。9時9分14秒，大漠上空出現一團耀眼的火光，核彈頭在靶標上空爆炸。初測結果與理論設計值基本一致，“兩彈”結合試驗成功了。
11月3日，聶榮臻從核試驗基地到彈著區，瞭解“兩彈”試驗的效應詳情，觀看被燒成玻璃體的地面，並慰問參加試驗的科技人員。聶榮臻說：“在場區工作是危險的，特別是到了嚴冬，困難就會更多，但是同志們都知道，艱苦就是光榮，是對我們革命意志的最好考驗。克服了最大艱苦，就能取得最大的勝利。”
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