事实上，早在1964年10月16日中国爆炸第一颗原子弹之前的一年，即1963年9月，邓稼先他们就已奉命转向更高的目标了。若从1959年7月“自己动手、从头摸起”到1962年9月在罗瑞卿副总理主持下二机部向中央打报告，提出争取在1964年或1965年爆炸第一颗原子弹，立下两年规划的军令状算起，原子弹的理论总体设计工作实际不到四年就已经全部完成。从开始探索到拿出方案，他们攻关之神速使懂得其中奥秘的人瞠目结舌。以如此飞快的速度马不停蹄地驰行在重重难关的尖端科学之路上，几乎可以称为人类历史上的一个奇迹。在科学发达的美国也没有这种连续作战，他们的原子弹、氢弹，直到后来的中子弹都是不同的科学家在那里搞研究；而在我们国家却是同一批人在连续攻关。
1963年9月，聂荣臻元帅下令让邓稼先领导的九院理论部研制原子弹的全班人马，转去承担中国第一颗氢弹的理论设计任务。因此我国第一颗氢弹的代号就叫作639。在美国人写的书中也详述了此过程，摘引在此：
Immediately after the atomic bomb design group at the NinthAcademy had finished its long work on weapon 596 in September1963， NieRongzhen ordered its members to stay together and shiftto fashioning a thermonuclear device. In Qinghai， the TheoreticalDepartment (led by Deng Jiaxian) assumed the principal burdenof designing China，s first thermonuclear weapons， as it had in thelast stages of designing the atomic bomb. (China Builds the Bomb，STANFORD UNIVERSITY PRESS，USA， 1988)
九院的原子弹设计小组于1963年9月结束了596号武器的长期研究工作之后，聂荣臻立即下令，让其成员原封不动地转移到热核装置的制造上去。在青海，理论部（由邓稼先领导）承担了设计中国第一颗热核武器的重要任务，因为当时理论部处于原子弹设计的最后阶段。（《中国制造原子弹》，美国斯坦福大学出版社，1988）
以后，在1965年，又从原子能所调进了于敏等一批科研骨干力量到九院理论部来工作。
氢弹不是常人所想象的那样，在制造原子弹的基础上提高一步就行了。这是与实际情况差得太远的想法。从最基本的科学原理来看，原子弹是靠原子核一连串的裂变，由此释放出巨大的能量，叫作核裂变。而氢弹则刚好相反，它是把两个原子核聚合成一个原子核，在聚合的同时放出巨大的能量，叫作核聚变。一个是裂变，一个是聚变，也就是说一个是打碎而一个是合并，所以制造原子弹和制造氢弹是根本不同的。从基本原子结构式来看，氢原子核只有一个质子，带正电；核外只有一个电子，带负电。氘是氢的同位素，不同点是其原子核内有一个质子和一个中子，因此重量是氢的两倍，氚也是氢的同位素，但它的原子核里有一个质子和两个中子，因此重量是氢的三倍。氘和氚在一定条件下可以产生核聚变，形成另一个元素氦，同时放出一个中子和放出巨大的能量来。这个一定的条件是什么呢？人们抬头就见到天上的太阳，太阳为什么那样热、那样亮？就是因为它是核聚变反应的结果。可是在我们的地球上，怎样才能有像太阳那般高温的大火球来使氘核、氚核聚变成一个核呢？有，就是原子弹。在原子弹爆炸的一瞬间所产生的高温，足以达到这个条件。打个通俗的比方，点燃香烟要用火柴，点燃氢弹要用原子弹。这就是为什么必须先造出原子弹来才可能有氢弹的缘故。
在1964年5月和1965年1月，毛泽东主席在谈到核武器发展的问题时，明确指出：原子弹要有，氢弹也要快。
邓稼先领导理论部的科学家们又是夜以继日地工作着，摸索氢弹理论设计方案。他们绞尽脑汁想出各种点子、奇招和谁也不知道是对还是错的办法。把这比喻成在茫茫黑夜的大海中捞几根绣花针，那是一点都不为过的。然后他们从中选择和归纳，由邓稼先主持下决心拿出几个初步方案来。我国第一颗原子弹爆炸成功之后，理论部的工作重心转移到突破氢弹原理上面。在彭桓武、邓稼先的领导下，科技人员兵分三路，分别由黄祖洽、周光召、于敏三位领导，分头上计算机去实际运算研制氢弹的可能途径［1］。其中由邓稼先的老伙伴、理论部副主任于敏率领的研究组，在1965年9月去上海，利用那里的高性能计算机进行计算和探索。在于敏的指导下，几个青年科技学者终于见到了一束智慧之光，这束光如此巧妙闪烁，好似仙女不断眨动着的亮亮的眼睛，显示有可能拽住了研制氢弹的“牛鼻子”。于敏马上通知了在青海正全面掌握着各路进程的邓稼先。邓稼先立即集中力量，组织理论部进行讨论和验算，集思广益，使氢弹理论设计方案趋于完善。随即邓稼先带了一帮人飞往上海。一到上海，没顾上休息，邓稼先和于敏带着他们的助手在计算所就开始了紧张的连轴转的工作。晚上，他们多是在机房地板上和衣而卧，有时是通宵不闭眼。他们要攻克科学上的一道道难关，没有这种精神是不可想象的，尽管人们公认他们是从聪明人里头挑选出来的聪明人。邓稼先组织大家分摊难点寻找解决问题的入口处，终于形成了一个有充分论证根据的方案。后来，外国人称之为研制氢弹的“邓-于理论方案”诞生了。其后，又在设计实验、生产试验等与各地各方面通力合作，以最快的速度完成了氢弹的核试验。
外国人写在书里的原文是：
The design group，s principal work on the H - bomb took fourteenmonths. At first， the research calculations and experiments at theQinghai Ninth Academy and elsewhere were centered on the possibledesigns for the hydrogen bomb，s igniter as a first step in understandingthe entire detonation process. In round-the-clock shifts， scientists underDeng Jiaxian worked out the theoretical basis for the most promisingplans by the end of 1965， when the Chinese discovered some keypoints relating to the internal causes and external requirementsfor burning thermonuclear materials. This discovery hinged on thesuccessful completion of extensive calculations and required theuse of China，s best computing facilities. Some time in late September1965， the academy sent Yu Min，the deputy director of the TheoreticalDepartment， to Shanghai to make these calculations， and within abouttwo months he cabled Qinghai that he had “ found a shortcut” tothe super weapon. This optimistic report prompted Deng Jiaxian tojoin Yu in Shanghai， where he confirmed Yu，s findings. The two thendiscussed their results with ministry officials......(China Builds theBomb， STANDFORD UNIVERSITY PRESS.USA，1988)
设计小组在氢弹上的主要工作花费了14个月的时间。
首先，青海九院和其他单位的研究计算和实验集中在氢弹引爆器的可能设计方案上，以此作为理解整个爆轰过程的第一步。科学家们在邓稼先的领导下夜以继日地工作着，到1965年年底，提出了最有希望的方案的理论基础，当时中国已经发现了“有关热核材料燃烧的内在原因和外部要求的一些关键问题”。这一发现依赖于成功地进行大量的计算，要求使用中国最好的计算设备。1965年9月底的某日，九院派理论部副主任于敏去上海进行这些计算。
大约过了两个月的时间，他给青海发电报说，他已经“发现了”通向超级武器的“捷径”。这份令人充满信心的报告催促邓稼先去上海找于敏。在那儿，他肯定了于敏的发现。而后，两人与部里领导一起讨论了他们的结果。（《中国制造原子弹》，美国斯坦福大学出版社，1988）秋天的上海，雨后已带有一丝凉意。有一天，邓稼先和于敏等人走在河边的马路上，四周草润花香，比起干寒缺氧的西北高原，这是一处幽雅宜人的所在。因为有喜事在心，他们格外感觉到江南的秀美。本来大家议论说要于敏请客，但是于敏的脑子来得快，抢着说：“谁的工资高谁请客，这是老规矩。”邓稼先笑了，并不推辞。请客也是一种发泄情绪的方法，把喜悦宣泄出去一部分，人才能保持平衡。晚上，他们美美地在馆子里吃了一顿螃蟹。
邓稼先和于敏把这个方案向二机部领导报告了，刘西尧副部长支持他们立即做冷试验，不久后进行的几次冷试验证明了“邓-于方案”的正确。于是结束分兵探索，集中全部力量按照“邓-于方案”进行。周恩来总理领导的中央专委决定进行两次热试验。第一次是在1966年5月9日我国第三次核试验，用轰-6中程轰炸机空投一枚核弹，它是一枚20万吨-30万吨当量的铀235原子弹，含有热核材料锂-6，目的在于验证解决制造氢弹的热核材料铀-锂，并取得成功。第二次是1966年12月28日在罗布泊进行的我国第五次核试验，检验了热核爆炸的基本原理，用的是一枚30万吨-50万吨当量的铀-锂核弹，又获得成功。这两次热核爆炸试验证明了“邓-于理论方案”是正确的。因此，15人的中央专门委员会决定直接进行多级热核弹的试验。终于在1967年6月17日爆炸成功了我国第一颗氢弹。对于这个过程，外国人在上面的一段文字之后继续写下了：
The two then discussed their results with ministry officials andconvinced Vice-Minister Liu Xiyao to order a battery of cold tests. in a test on May 9， 1966， when a Hong 6 medium bomber droppeda 200 - 300 -kiloton uranium device that contained lithium - 6.Thistest focused on the performance of the thermonuclear materials， andon December 28， 1966， a follow-on test examined the fundamentalsof a thermonuclear explosion in a 300 -500-kiloton uranium-lithiumdevice. The two detonations proved the validity of the Deng……Yu theoretical plan， and with their success， the Fifteen-Member SpecialCommission decided to proceed directly to the testing of a multistagethermonuclear bomb， a three-mega ton device， on June 17， 1967.(China Builds the Bomb， STANFORD UNIVERSITY PRESS，USA，1988)