核导弹虽然研制出来了，但要作为一种武器，还必须经过试验，就是说要引进“两弹结合”的实弹试验，而这种试验危险性太大，稍有不慎，打偏了，后果不堪设想。最后，聂荣臻决定到现场主持试验。周总理对此非常满意，高兴地说，有聂老总亲自去主持，我们就放心了。
1966年10月20日，在人民大会堂福建厅，周恩来总理主持召开了最后一次中央专委会议，在讲了上述一番话后，他说：精神的原子弹转化为物质的原子弹，物质的原子弹证明精神原子弹的威力。聂荣臻记住了这句话，在以后的岁月里，他多次提起这句话。他说，周总理总结得太好了。
这年10月24日，聂荣臻去钓鱼台向毛主席汇报了试验的准备工作。当他汇报到“两弹结合”试验的准备工作已经就绪时，毛主席高兴地说：谁说我们中国搞不出导弹、核武器？现在不是搞出来了吗？
最后，毛主席批准了这次试验，同意聂荣臻到现场主持。他还特别关照说：这次试验可能打胜仗，也可能打败仗，失败了也不要紧。
1966年10月25日上午，聂荣臻从北京西郊机场飞往酒泉导弹试验基地，这时，他已经是67岁的老人。到了现场，聂荣臻仔细地检查相关工作的准备情况。
这天下午，聂荣臻批准把核弹头运到导弹发射阵地进行对接和通电试验，他来到导弹发射架下亲自坐镇指挥。“两弹”对接、通电，是最危险的工作，人们劝他离开，他却拉来一把椅子坐下来，说：“你们不怕危险，我有什么可怕的！你们什么时候对接、通电成功，我什么时候离开。”
他的话极大地鼓舞了在场的人们，整个对接、通电工作很成功。随后，他在导弹发射架下与大家合影留念。
又过了十几个小时，聂荣臻来到发射场附近的指挥所现场指挥，一切准备就绪后，他突然接到远在新疆的核试验基地报告：核导弹的预定弹着区3000米高空出现了一股6级至7级的强风。
强风会不会使导弹核武器偏离弹着点？是按时发射，还是推迟发射？他打电话请示了周总理。
“一切由你在现场决定！”周总理果断地说。
这时离预定的发射时间还有十几分钟，现场所有人的目光都集中在聂帅身上，寂静的大厅里，只有倒计时数的闪光亮点，在仪器上不停地闪烁。聂荣臻与在场的专家们紧急研究了一下，得出的结论是：影响不大。他又接通了周总理的电话，陈述了按原定计划发射的理由，周总理表示同意。惊心动魄的时刻到来了。9时整，核导弹喷射着橙黄色的火焰，伴随着巨大的轰鸣声拔地而起，渐渐消失在天边。不久，从罗布泊的弹着区传来消息：核导弹用9分14秒时间命中目标，在预定的高度实现核爆炸。这次发射的成功，在中国国防科研和建军史上，具有划时代的意义。
事后，聂荣臻在给毛泽东、周恩来的报告中说：“在自己国土上用导弹进行核试验，并且一次就百分之百地成功，这在国际上是一个重大创举。从第一次核爆炸到小型化核弹头，美国用了13年（1945年至1958年），苏联用了6年，我们只用了2年。”
“两弹”结合试验的成功，标志着我国有了可以用于实战的导弹核武器，就在这一年，我国组建起了战略导弹部队——第二炮兵。
