不过，上世纪50年代世界强国已经迈入核武器阶段，毛泽东在赫鲁晓夫1954年首次访华时又提出能否在这方面提供帮助，却受到婉拒。中共中央仍于1955年决定，开始核弹、导弹的预研。1956年东欧发生了反对苏联控制的波兰、匈牙利事件，翌年夏天苏共莫洛托夫等元老又想推翻赫鲁晓夫。在此形势下，赫鲁晓夫才不顾军方坚决反对，于1957年7月同意向中国提供原子弹、导弹样品，帮助建立核工厂，其交换条件则是毛泽东访苏对他表示支持。1957年10月，中苏签订《国防新技术协定》，规定苏联再援建102项重点项目。毛泽东随后访苏，在61国共产党、工人党会议上拥护苏联在社会主义阵营的“为首”地位。
苏联对华的“两弹”（导弹、核弹）项目援助，主要是帮助中国建设了最早的原子反应堆、浓缩铀工厂、核燃料棒工厂、铀矿和核试验基地，提供了P-2型导弹样品。后因中苏之间发生政治争吵，苏联于1960年7月中断了“两弹”方面的援助并撤走专家。不过中国在此前得到了一些核武器制造设备和许多技术援助，还是大大节省了研制时间。苏联撤退专家后留下的核工厂“半拉子工程”，毕竟比自己白手起家要好得多。中国能以世界上最快的速度完成“两弹一星”，主要是自力更生的结果，苏联早期的帮助也有着重要作用。
1961年中苏关系有所缓和，赫鲁晓夫在主动提出中国可延迟还债时，又提供了米格-21战斗机等新装备及其生产技术资料。不过中苏关系这一度好转为时不久，便因同年11月苏共召开二十二大时中共反对批判斯大林并支持阿尔巴尼亚而再度闹翻。1962年11月，苏联以古巴导弹危机时中国对其不予支持反而影射抨击为由，在米格-21的技术资料还未最后交齐时停止这一援助项目，对华的军事帮助至此停止。不过中国军工业通过全面接受和掌握苏联50年代水平的武器装备技术，对奠定国防工业的基础还是起到了重大作用。当年主管经济工作的中共中央副主席陈云在1984年会见苏联老朋友时曾表示，对苏联给予的这些援助，“中国人民都没有忘记，也永远不会忘记。”
