“文化大革命”期间，研制工作遇到了极大困难，他及时提出“只能提前，不准推后，要抓紧，要落实”的要求，并批准用中央军委“特别公函”的形式，要求有关单位的所有人员坚决保证研制工作的进行。
1971年，中国第一艘鱼雷核潜艇终于下水试航。
1958年9月，苏联援建的7000千瓦实验性重水反应堆和12米直径的回旋加速器在北京建成，聂荣臻参与验收，并代表中方在验收合格证书上签字。
1958年，二机部成立了核武器研究所，中国科学院的物理研究所更名为原子能研究所，受二机部和中国科学院双重领导，以二机部为主。
到1960年，该所人员已发展到四千三百多人。
中国的核武器研制加快了步伐。
研制导弹、原子弹，要建立大型的试验基地。
基地需要装备大量技术复杂、精密度要求很高的仪器设备，又确定建在人烟极为稀少的大漠戈壁地区。
因此，建设试验基地的复杂性和艰巨性，不亚于研制“两弹”。
经过工程技术人员和参与施工的广大指战员的艰苦奋战，1960年，综合导弹试验基地在甘肃酒泉地区初步建成；1962年底，核武器试验基地在新疆罗布泊西北地区初步建成。
1957年10月，苏联第一颗人造地球卫生发射成功。
1958年5月，毛泽东在中共八届二次会议上提出：“我们也要搞人造卫星。”
据此，聂荣臻组织张劲夫、钱学森、王诤等拟制了中国发展人造卫星的初步规划。
1958年8月，由聂荣臻主持起草的“12年科学规划执行情况的检查报告”中提到：“发射人造卫星，将使尖端科学技术加速前进，开辟新的科学研究工作的领域，为导弹技术动员后备力量。
同时，大型的卫星上天，是洲际弹道导弹成功的公开标志，是国家科学技术水平的集中表现，是科学技术研究工作向高层空间发展不可缺少的工具。”
“人造地球卫星的研究，一系列的工作将被带动起来。
其中包括高能燃料、耐高温合金和精密机械加工的技术、利用能源发电的新技术、无线电电子学、应用数学、电子计算机技术等”的发展。
这些话，都体现了研制人造卫星的决心。
9月、12月，聂荣臻先后两次在听取张劲夫、钱学森汇报时指出：中国科学院要在研制卫星方面力争拿出一定的成果，但又要稳扎稳打，狠抓落实。
同年11月，为落实卫星研制任务，中国科学院和上海市共同抽调技术力量，组建了上海机电设计院。
1960年2月，中国第一枚直径250毫米，起飞重量190公斤，发射高度为8公里的T-7M型探空火箭首发试验成功。
4月，聂荣臻到上海视察T-7型气象火箭地面系留热试验。
试验获得成功。
聂荣臻鼓励在场的科技人员继续努力，为火箭事业作出新的贡献。
5个月以后，首枚T-7型火箭在安徽省某山区发射成功。
1964年，中国科学院生物物理研究所与上海机电设计院合作，成功发射了高度达70公里的第一枚生物探空火箭。
1965年，国防科委遵照聂荣臻的指示，提出了1970年或1971年发射中国第一颗人造卫星的设想，获得中央专委批准。
1966年1月，中国科学院成立卫星设计院，开始了“东方红一号”人造卫星的论证设计工作。
“文化大革命”开始后，为了减少尖端事业的损失，聂荣臻于1967年提议，在中国科学院卫星设计院的基础上组建空间技术研究院，获得中共中央批准。
1968年2月，空间技术研究院正式成立，并列入军队编制，从而保证了卫星研制工作能基本正常进行。
1970年4月24日，重量达173公斤的“东方红一号”卫星首发成功。
通过这颗卫星，歌颂毛泽东的东方红乐曲响彻了中国大地，也传向了世界的四面八方。
