氢弹是利用氢的同位素氘、氚原子核聚变反应时瞬间释放巨大能量而起杀伤破坏作用的核武器：氢弹也称做“热核武器”，其威力比原子弹大得多。
在第一颗原子弹爆炸成功过了仅仅两年零八个月，1967年6月17日，中国自行设计、自行制造的第一颗氢弹在中国西部上空大气层试爆成功。
根据毛泽东关于“搞一点原子弹、氢弹，我看有十年功夫完全可能”的指示，1960年12月，在进行第一颗原子弹的理论设计的同时，钱三强根据二机部领导的指示，组织原子能研究所的黄明洽、于敏等人组成轻核理论组，着手对氢弹的有关情况进行探索研究。
1963年9月，核武器研究所组织一部分科技人员开始氢弹的理论探索。首次核试验成功后，该研究所的大部分理论研究人员被组织到氢弹研究中去，并不断加强了氢弹理论的攻关力量。
氢弹与原子弹不同。原子弹是通过原子核的裂变产生巨大的能量，叫做核裂变。而氢弹则是通过两个原子核聚合成一个原子核，然后在高温下使原子核在聚合的同时放出巨大的能量，叫做核聚变。由于核聚变比核裂变产生的能量大很多，因此，从原子弹到氢弹是一个质的飞跃。
1965年2月，在朱光亚、彭桓武主持下，邓稼先、周光召组织科技人员在总结了前一段研究工作的基础上，制定了先突破氢弹原理，再完成热核弹头理论设计两步走的工作大纲。当年夏天，当核武器研究所的科技人员得知法国准备在1968年进行首次热核装置爆炸试验后，他们提出了“赶在法国人之前实现中国第一颗氢弹爆炸试验”的口号。因此，氢弹原理的突破工作加快了步伐。
到1965年8月，原子能研究所的何泽慧等人在丁大钊等曾进行过的轻核反应的基础上，对热核材料的核反应截面进行了测量，获得了可靠的实验数据。
为了了解热核反应的规律，利用原子弹试验时研制的引爆控制系统，1966年4月，研制人员完成了轻核材料爆轰、次临界、环境条件等试验。5月，成功地进行了加强型原子弹空爆试验，为氢弹理论研究和空爆试验提供了实测数据。而最令人受到鼓舞的是研究人员经过大量分析研究，获得了热核材料燃烧的主要因素和能量释放规律，通过计算一批理想模型，发现了热核材料自持燃烧的关键，突破了氢弹的理论设计原理。
要制造氢弹，热核材料的生产和热核部件的研制非常关键。为此，我国在包头建设了一条氘化锂—6生产线。
1963年春，氘化锂—6生产线建设进入投料试车阶段，重水的中间试验已基本过关。
1964年5月，吉林化学工业公司生产出第一批合格重水。
1965年9月，氢弹使用的原材料氢化锂、金属锂的制取，重水电解制氘都获得成功。与此同时，设计人员也于1965年完成了热核部件的加工及加工后的短期存放的研制工作。
1966年初，制成了第一套合格的氘化锂—6部件，解决了加强型原子弹和氢弹试验的装料问题。
从1965年12月开始，主要进行氢弹主体的理论设计工作。在此阶段，物理和力学工作者研究了热核装置爆炸过程中各阶段的物理图像和发展规律。通过对引爆弹爆炸对氢弹主体的作用、影响的研究论证，确定了部件的配置和能量释放的关系，制定了氢弹主体的理论设计方案。之后，在王淦昌、胡仁宇等人的指导下，研制人员对热核装置的不同部位进行了多项物理测试。
1966年12月28日，氢弹设计原理实验获得成功。这次减当量的试验结果表明，中国已掌握了氢弹研制中的关键技术。在此基础上为了了解热核反应充分发展下的核参数，在技术上进一步检验产品的设计原理，二机部决定直接进行全当量的空投氢弹的研制工作。
经过核武器研制基地的理论、实验、设计、生产人员密切合作，利用研制三相热核弹的设备和某些成品，加快了研制进度。到1967年6月5日，正式试验用的氢弹加工完毕。
为检验理论设计方案，中国先于1966年12月28日进行的氢弹原理试验是以塔爆的方式进行的减当量试验。而正式试验则是于1967年6月17日进行的全当量空爆试验。
1966年12月30日至31日，聂荣臻在核试验基地召集钱学森、王淦昌、彭桓武、朱光亚、陈能宽、程开甲、于敏、周光召等人开会，决定在10月28日进行的氢弹原理试验的基础上，进行百万吨级的全威力氢弹空投爆炸试验。
为搞好这次空爆试验，核试验基地制定了详细的试验方案和通信保障以及进行效应测试等具体实施计划，担任空投任务的轰炸—6甲型飞机徐克江机组和张文德机组训练极为认真。一切准备工作就绪后，中央确定第一颗氢弹于1967年6月17日8时在西部罗布泊上空进行空爆试验。
1967年6月17日清晨，新疆罗布泊核实验场内，为第一颗氢弹空爆试验的准备工作正紧张而有序地进行着，五星红旗在试验场指挥中心楼顶高高飘扬，4个红色气球吊着巨幅标语升上天空。解放军官兵、工人、工程技术人员、科研人员完成了各种仪器的测试检查工作。
8时整，徐克江机组驾驶轰炸—6甲型飞机飞到靶标上空。随着指挥人员的一声令下，氢弹从轰炸—6甲型飞机上脱钩，带着降落伞降落在距靶心的规定高度。
8时20分，蔚蓝的天空升腾着一个烈焰翻滚的巨大火球，把天幕背后正冉冉升起的朝阳掩盖在一片辉煌之中。随着天空中传来一阵天崩地裂的巨响，一朵非常壮观的蘑菇云形成。这就是作为引爆装置的原子弹爆炸后，产生的数千万度高温，促使氘氚等轻核急剧聚变，放出巨大能量，形成的更猛烈的爆炸。
这次当量为330万吨的首次氢弹空爆试验成功，标志着我国核武器的发展又产生了一个飞跃，为以后的战略导弹热核弹头的研制和装备部队奠定了基础，也为核武器的进一步研制发展提供了可贵的试验数据。