赫鲁晓夫回国以后，中苏两国政府便开始了关于在核能事业方面合作的具体谈判。1955年1月17日苏联政府发表声明说，为在促进和平利用原子能方面给予其他国家以科学技术和工业上的帮助，苏联将向中国和几个东欧国家提供广泛的帮助，其中包括进行实验性反应堆和加速器的设计，供给相关设备及必要数量的可分裂物质。[34]作为合作条件，1月20日中苏签署了《关于在中华人民共和国进行放射性元素的寻找、鉴定和地质勘察工作的议定书》。根据这个协定，中苏两国将在中国境内合作经营，进行铀矿的普查勘探，对有工业价值的铀矿床，由中国方面组织开采，铀矿石除满足中国自己的发展需要外，其余均由苏联收购。此后，大批苏联地质专家来到中国，帮助进行铀矿的普查和勘探。[35]4月27日，以刘杰、钱三强为首的中国政府代表团在莫斯科与苏联政府签订了《关于为国民经济发展需要利用原子能的协定》，确定由苏联帮助中国进行核物理研究以及为和平利用原子能而进行核试验。苏联将在1955-1956年派遣专家帮助中国设计和建造一座功率为6500-10000千瓦的实验性原子反应堆和一个使粒子获得12.5-25MeV（百万电子伏特）能量的回旋加速器，还要无偿提供有关原子反应堆和加速器的科学技术资料，提供能够维持原子反应堆运转的数量充足的核燃料和放射性同位素，培训中国的核物理专家和技术人员。[36]
8月22日，苏共中央主席团又批准了苏联高教部关于帮助中国进行和平利用原子能工作的提案：满足中国政府的请求，帮助在北京和兰州组织教学，培养原子能专家。[37]是年10月，经中共中央批准，选定在北京西南远郊坨里地区兴建一座原子能科学研究基地（代号为601厂，1959年改称401所），并将苏联援建的一堆一器安置在这个基地。以索洛诺夫和阿里柯谢夫为代表的苏联专家组与中国的工程技术人员一道，为基地建设做出了重大贡献。[38]同年12月，以诺维科夫教授为团长的苏联原子能科学家代表团访华，向中国赠送了一批有关和平利用原子能的影片和书籍。苏联代表团还在全国政协礼堂举行报告会，讲授关于和平利用原子能的各项问题，周恩来及党政军各机关1400多名高级干部出席了报告会。在12月26日周恩来与苏联代表团举行的会谈中，双方讨论了《中华人民共和国1956-1967年原子能事业规划大纲(草案)》。苏联科学家主动表示，苏联准备给中国核工业建设以全面援助。[39]
苏联的帮助进一步推动了中国的原子能研究工作。1956年4月23日中共中央发出通知说，“中央已经决定对于原子能的研究和建设事业，采取最积极的方针，并且在苏联的帮助下，争取在较短的时期内接近和赶上世界的先进水平。因此，必须迅速地全面地开展对于铀及各种特殊金属的勘探、开采和冶炼工作，进行各种化工材料的生产、各种特殊机械及仪表的制造，原子堆和加速器的设计和建造，以及原子能科学研究和干部培养等一系列新的工作。”通知认为，“当前最急迫的是必须由全国各地和中央各部门抽调一批优秀的技术干部和行政干部，以及一定数量的技术工人和普通工人，在苏联专家的指导下，立即开始学习和工作”。为此，中共中央决定：1956年所需的2462名高等学校毕业生和760名中等技术学校毕业生由国家计划委员会直接分配，同时限令是年5月和7月“从全国各地和中央各部门中抽调干部1895名(其中技术干部819名)、工人5055名参加这一工作”。[40]在同年5月全国科学规划会议所确定的57个重点学科中，原子能被摆在最为突出的地位。[41]
此后两年苏联的核援助进一步扩大。1956年4月7日中苏签署的协议规定，将铺设从哈萨克斯坦的阿克斗卡至兰州的铁路，以便向设在罗布泊的第一座核武器实验中心运送设备。[42]同年8月17日，中苏两国政府又签订了关于苏联援助中国建设原子能工业的协定。协定规定，苏联援助中国建设一批原子能工业项目和一批进行核科学技术研究用的实验室。[43]在这一基础上，11月16日，第一届全国人大常委会第五十一次会议通过决定：设立第三机械工业部(1958年2月11日改名为二机部)，主管中国核工业的建设和发展工作。[44]1957年3月，三机部制定了第二个五年计划，要求在1962年以前在中国建成一套完整的、小而全的核工业体系。[45]为帮助中国的核科学研究，苏联派遣了称职的专家。是年5月，沃尔比约夫率领十几位专家来到物理研究所（此时已由科学院和三机部双重领导）工作。沃尔比约夫是库尔恰托夫最亲密的助手之一，据他的中国同事反映，此人确实有很深厚的功底。沃尔比约夫专家组最初的任务是培养研究浓缩铀和钚方面的中国专家，并编制教学大纲，后来也负责指导反应堆的实验。沃尔比约夫与钱三强所长建立了很好的合作关系，同周恩来总理也有过亲密接触。由于苏联专家的帮助，实验性反应堆和回旋加速器相继建成，并从重水反应堆中获得了少量的钚。此外，通过教学和实验，还培养了一批中国科学技术人员。沃尔比约夫刚来时，在研究所里只有60位核物理方面的中国专家，而到1959年11月他离开这里时，这个集体的人数已经增长到6000人。[46]时任该所负责人的孟戈非后来回忆说，不仅在技术问题上，而且在反应堆、核动力的研究体制建设方面，沃尔比约夫对中国都给予了不少帮助。[47]苏联能派出如此优秀的科学家，可见是诚心帮助中国的。
总之，由于苏联的帮助，中国的核武器研制工作在和平利用原子能的帷幕下于1955年初逐步展开了。
苏联帮助中国研制核武器方针出现突破性转变
尽管和平利用原子能可以成为研制核武器的技术基础，但是要实现这一步跨越却绝非易事，这不仅需要具有各种特殊的设施、设备和仪器，更需要掌握从铀分离、提纯到核爆炸的一系列专门技术和工艺。美国和苏联跨出这一步用了5-7年，以中国当时的工业基础和工艺技术水平，以及当时西方进行经济技术封锁的冷战环境，要在同等时间里试制出原子弹，只能依靠苏联的帮助。事实也是如此，中国能够以震惊西方的速度成功地爆炸原子弹，无论如何是离不开苏联援助的，虽然是不完全的援助。[48]不过，莫斯科在研制核武器方面对中国的援助最初却表现得犹豫不决。
在核武器尚处于基础理论研究阶段时，中国领导人已经开始考虑其运载工具——导弹的研制问题了。1956年1月12日彭德怀约见苏联军事总顾问彼得鲁舍夫斯基时提出：中共中央政治局开会，同意在中国工业发展速度已经提高的基础上，加快中国军队的现代化建设，并打算研制火箭武器，希望苏联提供这方面的图纸、资料。由于没有得到莫斯科的指示，彼得鲁舍夫斯基无法表态。1月20日彭德怀主持军委第五十七次例行办公会议，讨论了研究和制造导弹的问题。会议决定向党中央提出报告。彭德怀说：“目前即使苏联不帮助，我们也要自己研究。苏联帮助，我们就去学习。”[49]与此同时，解放军训练总监部代部长叶剑英、副总参谋长陈赓和刚从美国归来的导弹专家钱学森也提出了中国自行研制导弹的问题。[50]3月14日，周恩来主持会议，听取了钱学森关于在中国发展导弹技术的设想。会议决定，成立导弹航空科学研究方面的领导机构——国防部航空工业委员会，由聂荣臻任主任。5月10日，聂荣臻提出了《关于建立中国导弹研究工作的初步意见》。中央军委5月26日召开会议对此进行了专题研究，周恩来在会议上指示：导弹研究可以先突破一点，不能等待一切条件具备。立即抽调力量，组织机构，培养人才。[51]是年7月，经军委批准，以钟夫翔为局长的导弹管理局(国防部五局)正式成立。10月8日以钱学森为院长的导弹研究院成立，下面设立了10个研究室。至此，中国的导弹研究事业开始走上轨道。[52]