9月23日，周恩来召集贺龙、陈毅、张爱萍、刘杰、刘西尧等开会，传达中共中央政治局常委扩大会议的决定。他兴奋地向大家说：我向毛主席和少奇等同志作了汇报，他们同意第一方案。原子弹的确是吓人的，主席更大的战略想法是，既然是吓人的，就早响。这样，任务更重了，不是更轻了。试验的时间看来需在20天以后了。10月有4次好天气，中旬可能赶上也可能赶不上，还有下旬一次；11月上旬还有一次，到11月下旬就不好了。要把风向、放射性微尘飞散距离详细计算，搞出资料。原子弹响了，影响就大了。万一不响；后果如何，还要找参加核试验的专家进行专门研究。
周恩来还指出，为了防备敌人万一进行破坏，由总参谋部和空军研究，做出严密的防空部署；由刘杰负责组织关键技术资料、仪器设备的安全转移；由陈毅组织外交部进行对外宣传工作的准备；张爱萍、刘西尧赶赴试验现场组织指挥；除我和贺龙、罗瑞卿亲自抓以外，刘杰在北京主持由二机部、国防科委组成的联合办公室，负责北京，与试验场的联络；要规定一些暗语、密码。他还郑重地叮嘱：“一定要保护好我们自己的专家，东西要转移保存下一部分。不是破釜沉舟，一锤子买卖。”
尽管进行了这样周到细致的准备，但仍有相当的风险。万一试验失败，消息泄露，将造成不利影响。为了绝对保守原子弹试验的秘密，周恩来对与会人员规定了严格的保密纪律。他说：“希望你们对家里人也不说，不要一高兴就说出去。邓颖超同志是老党员、中央委员，不该说的我不向她说。任何人不该知道的，不要知道。”他还对后到会的陈毅说：“你可不能讲啊！”陈毅知道周恩来是提醒他在以外长身份接待外宾时不能说了出去。他操着四川口音爽快地回答：“我不讲哇！”
张爱萍和刘西尧返回西北核试验现场，将周恩来的指示传达给现场上万人员。周恩来以身作则的表率行为，使大家受到深刻的教育，有效地保证了第一次核试验没有发生一起泄密事件。
根据气象情况，周恩来将核爆炸的零时选定为1964年10月16日巧时，并得到了毛泽东的批准。当基地的人们知道这个确切的时间后，他们想起了一个有趣的故事。
基地有一个姓杨的技术员，在1964年10月1日国庆节的前一天晚上做了一个梦。当他醒来后，冲出帐篷；大喊道：“党中央已经审定通过爆炸时间了！”当别人问他是怎么回事时，他激动地喊着：“我梦见党中央已经确定了爆炸时间，它包括3个‘十五’。”
当时无人能说得清楚，这3个“十五”究竟代表什么意思。现在这个梦有了比较能够自圆其说的解释：第一个“十五”表示中华人民共和国成立15周年；第二个“十五”表示从10月1日起往后数15天即10月16日；第三个“十五”表示原子弹将在那天的15时爆炸。
也许是纯属巧合，也许是后人的编排。不管这个梦是真是假，它已经成为中国核武器发展史上的一段趣话了。
10月14日13时，原子弹静卧在铁塔上那个纯金属构造的银灰色小屋里。这个铁塔由8467个构件组成，高102米，重70吨，在耀眼的金色阳光辉映下，傲然挺立。
10月15日15时，有关技术人员完成了原子弹核心部件的装配和几道关键的工序。现场总指挥张爱萍带领技术人员作最后一次检查。离开铁塔时，他有点恋恋不舍，便取下相机，想拍张照片留念，但又考虑到现场不准个人拍照，自己不能违例，他就没有拍照，没有留下自己在那伟大的历史时刻的身影。当将军后来回顾当时的情景时，仍然感到有点遗憾。
围着铁塔，在约60公里的范围内，呈放射状地摆列着近百项效应工程和实物：飞机、军舰、大炮、坦克、装甲车、桥梁、铁路、战时工事和民用楼房，还有马、狗、猴于、老鼠、种子以及各种测试仪器设备等。真像一个大干世界，应有尽有。
罗布泊戎装待命，静候震撼世界的庄严时刻。
10月16日凌晨6时30分，一切不必要留下来的人员撤离现场。现场指挥所设在离爆心23公里外的孔雀河畔的山坡——“721”高地，指挥这次具有历史意义的核试验。
下午，李觉、张蕴钰和两位工程师最后一次来到塔上，安装了电引线，做了最后一次检查。当他们在离爆炸零时前50分钟回到地面时，周围的人们关心地询问他们为什么比预定的时间晚下来4、5分钟，李觉回答：“我一定要亲自确认没有任何的差错。”
接着，他们撤离到现场指挥所，李觉把塔的也控装置的钥匙交给了控制室的领导。采取这一安全措施，是为了保证原子弹不能被爆炸塔附近的任何人引爆。这也是爆炸前最后时刻的一个检查环节。
总指挥部的电话全天24小时与北京总理办公室的电话接通，张爱萍最后一次报告说：“总理，安装工作已经结束，一切顺利，请指示。”
周恩来平静地说：“预祝你们成功！”
张爱萍发出最后指令。
在主操纵员读秒到达零时，“起爆”命令发出的一瞬间，只见罗布泊大漠深处出现一道红色的强烈闪光；紧接着，腾空而起一个巨大的火球，犹如出现第二个太阳，天空和大地被照得一片通红；爆炸形成的蘑菇云不断上升扩张；稍后，一阵惊天动地的巨响震耳欲聋，好像要把苍穹撕裂似的。
这时，试验现场欢声雷动，全体参试人员激动万分，热泪盈眶，互致祝贺。
15时4分，张爱萍眼望高耸蓝天的蘑菇云，问王淦昌：“这是一次核爆炸吗？”
王淦昌肯定地回答：“是的！”
然后，张爱萍给北京的二机部打电话：“请找刘杰同志。”
在二机部原子弹试验办公室里，刘杰正和几名干部焦急地等待着。电话铃突然响了，接电话的同志太紧张了，以至把话筒掉到了桌子上。刘杰一把捡起来，听到张爱萍激动的声音：“请报告周总理和毛主席，我们的第一颗原子弹爆炸了！”
“再说一遍。”
“原子弹爆炸了，已经看到了蘑菇云！”
“我马上报告！”接着，刘杰抓起了专用电话：“我是刘杰，请周总理讲话！”
“我是周恩来！”
“总理，张爱萍同志从试验基地打来了电话，原子弹已经爆炸了，看到了蘑菇云！”
“好，我马上报告毛主席。”
几分钟后，周恩来给刘杰回电话：“毛主席指示我们，一定要搞清是不是核爆炸，要让外国人相信！”
刘杰立刻把毛泽东的指示传达给张爱萍。张爱萍回答说，这确实是一次核爆炸，这一点已经被充分证明了。
这时，刘杰不由自主地开始抖动，他又给周恩来打了电话：“我们的第一颗原子弹已经爆炸成功。这是一次成功的核试验！请党中央和毛主席放心。”
张爱萍向周恩来报告后，随即赶赴爆区，检查爆后的各种效应情况。两个多小时后，张爱萍、刘西尧等签发一份经多方专家认定的关于原子弹成功爆炸的报告，将它电告毛泽东、周恩来、林彪、贺龙、罗瑞卿：确实实现了核爆炸，威力估计在2万吨TNT当量以上。
张爱萍这位儒将诗兴大发，怀着喜悦的心情，欣然吟出《清平乐·我国首次原子弹爆炸成功》一词：
东风起舞，壮士千军鼓。
苦斗百年今复主，矢志英雄伏虎。
霞光喷射云空，腾起万丈长龙。
春雷震惊寰宇，人间天上欢隆。
是啊，这一欢隆的历史时刻终于来到了！
1964年10月16日傍晚5时，周恩来陪同毛泽东、刘少奇、朱德、邓小平、董必武、彭真、李富春等党和国家领导人，在人民大会堂接见3000多名大型音乐舞蹈史诗《东方红》的演职人员。他满面春风地向大家宣布：“同志们，毛主席让我告诉大家一个好消息，我们的第一颗原子弹爆炸成功了！”
中国第一颗原子弹爆炸成功，在国内外引起了强烈反响。在国内，中国人民充满了民族自豪感，对国防力量的增强欢欣鼓舞；在国外，友好国家和团体认为，中国有了原子弹，显示了自力更生的威力，是亚洲历史上的一个辉煌功绩。