1963年9月，邓稼先、于敏率领九院理论部研究原子弹的原班人马，承担中国第一颗氢弹的理论研究和设计任务。
邓稼先不仅在北京的研究所夜以继日从事理论研究和设计，而且经常到飞沙走石的西北戈壁滩试验场。他冒着酷暑、严寒，在试验场度过了整整8年的单身汉生活。他15次在现场领导核试验。
第一颗原子弹的名字是“邱小姐”；存放原子弹的容器代号为“梳妆台”。
1964年10月16日，中国成功爆炸了第一颗原子弹！这第一颗原子弹的设计方案是由邓稼先制定并最后签字确定的。爆炸后，邓稼先率领研究人员迅速进入爆炸现场采样，以证实原子弹的效果。
第一颗原子弹试验成功后，邓稼先又同于敏提出了氢弹设计方案“邓—于方案”。
1966 年6月，文化大革命爆发。根据毛主席的指示，党中央决定：国家研制核武器的基地和有关研究院所不搞运动。因此，邓稼先和其他研制核武器的科学家继续埋头苦干，取得了许多新成就。
1967年6月17日，在政治运动的高潮中，中国第一颗氢弹爆炸试验成功！邓稼先组织领导了第一颗氢弹的研制和试验工作。
在原子弹、氢弹研究中，邓稼先领导开展了原子核物理、流体力学、量子力学等基础理论研究，完成了原子弹的理论方案。邓稼先还与于敏一起，解决了氢弹的关键理论问题。
邓稼先与周光召（曾任中国科学院院长、全国人大副委员长）合写的《我国第一颗原子弹理论研究总结》，是一部核武器理论设计开创性的基础巨著。这部著作不仅对以后的理论设计起到指导作用，而且还是培养核武器科研人员的教科书。邓稼先还写了电动力学、等离子体物理、球面聚心爆轰波理论等许多讲义。他在担任九院院长重任以后，还在工作之余编写《量子场论》和《群论》。
