早在谋划创建新中国的同时，周恩来就远见卓识地着手筹划“两弹一星”范畴的高新科研项目

早在1949年3月18日，中共中央还在西柏坡的时候，周恩来在解放战争即将在全国取得胜利的前夕，致电彭真、叶剑英并转李维汉，决定派一个代表团到法国巴黎参加保卫世界和平大会，郭沫若任团长，当时在北平研究院原子学研究所工作的清华大学教师、原子核科学家钱三强是成员之一。钱三强提出利用开会的机会，带些外汇，托其老师约里奥-居里教授帮助购买用于原子核研究实验的中型回旋加速器的电磁铁和其他一些图书、资料等。当时战争还在继续，经济十分困难，外汇更为紧张。但周恩来收到请示后，立即表示赞成，并详细交代了外汇支付方法和仪器设备运回的办法。当时因为冷战形势，这一计划未能实现，但后来从英法回国的中国核科学家用这笔外汇购回了仪器和图书。

面对美国的核威胁，1952年5月，周恩来主持研究国防建设五年计划时，就酝酿研究试制原子弹、导弹等尖端武器装备问题，征询有关科学家的意见，从各方面进行准备。原航天部法规司司长焦勇在《周总理对中国航天事业发展的关怀与指导》一文中说：“同其他各部比较，周总理对航天部的关心更多，所花费的心血也大，讲话、指示也最多。我们粗略统计了一下，在我们编写的《当代中国的航天事业》一书中，共出现过200多个人的名字，周恩来的名字出现过数十次，是最多的。”

在狠抓“两弹一星”研制的全部工作中，对于核能与火箭人才队伍，周恩来特别重视，尤其突出的是千方百计地吸纳海外核能与火箭专家回国。在他的号召与关怀下，李四光、邓稼先、姜圣阶、张沛霖、杨承宗等核能专家，于1950年和1951年先后回国，成为核工业领域挑大梁的人物。特别是中国“两弹一星”领军人物钱学森摆脱美国羁留得以回国，完全是周恩来外交努力的结果。受周恩来委派负责这项重要任务的王炳南大使曾回忆说：“1954年4月26日至7月21日，中、苏、美、英、法五大国首脑参加的和平解决朝鲜问题的日内瓦会议之后，中美大使级会谈于1955年8月1日开始，周恩来一方面下令在7月提前释放抗美援朝时被我方俘虏的美国阿诺德等11名间谍，一方面派人同美方交涉钱学森回国事宜。在这种情况下，美国政府也于8月1日允许钱学森回国。”经周恩来的精心安排，钱学森一家四口于9月17日，踏上了回国的归途。同时，核科学家李正武、郭永怀、王承书等也于1955年9月、1956年11月先后从大洋彼岸回到祖国。20世纪50年代末的一次会议上，周恩来说：“中美大使级会谈至今没有取得实质性成果，但我们毕竟就两国侨民问题进行了具体的建设性的接触，我们要回了一个钱学森。单就这件事来说，会谈也是值得的，有价值的。”