国防工办成立后，于1962年提出了争取在1964年、最迟在1965年上半年爆炸我国第一颗原子弹的两年规划。为此，中共中央成立了包括周恩来、聂荣臻、赵尔陆等在内的中央15人专门委员会。
首任军工部长赵尔陆
中央专委成立后，周恩来抓的第一件大事，就是让赵尔陆带领工作组到研制第一颗原子弹的各研究、加工、装配和试验现场，进行全面细致的检查。当时，大量的课题研究都是在极其简陋的条件下开展的。在北京，因为研究室房屋有限，科学家们在楼道走廊里摆满了仪器、设备，有的搭起了布制工棚；使用手摇计算器，计算原子弹大量复杂的数据……
经过多方考察，赵尔陆确认第一颗原子弹一定能够爆炸成功，他指示中央专委办公室给周恩来写了一份书面报告，汇报第一颗原子弹试爆的准备情况，以及试验能够成功的理由。当时，周恩来正要起程出访亚非国家，看到这份报告非常高兴，立即转呈毛泽东，毛泽东很快予以圈阅。随后，周恩来亲自批准了原子弹爆炸的时间：1964年10月16日15时。
后来，毛泽东在看这次爆炸成功的资料片时，不时向身旁的赵尔陆提出一些技术问题，赵尔陆都作了比较准确的回答，毛泽东赞扬说：“你现在也是导弹内行了！”
赵尔陆猝死在办公室
1966年，史无前例的“文革”爆发，兼任国务院国防工办主任的罗瑞卿在运动前期即被定为反党分子而打倒，他承受不了这样的屈辱，从楼上跳了下来，成了终身残疾；国防工办常务副主任赵尔陆自然而然就成了运动的“替罪羊”，成为国防工业战线上的斗争对象。“彭黄漏网分子”、“破坏国防工业”的大帽子压在赵尔陆头上，造反派高喊打倒的口号声每天在高音喇叭里震耳欲聋。
一天深夜，赵尔陆对妻子和女儿说：“我从南昌起义到现在快40年，自信对党和毛泽东是忠诚的，没半点私心，可现在，怎么到了没鬼也怕鬼的程度……”
此后，赵尔陆的身体每况愈下，肺气肿使他几乎不能成眠，心脏病不断发作。可是，在逼迫之下，还不得不背着氧气袋看大字报，参加批斗会。
这时候，周恩来出面对赵尔陆进行了保护。在一次中央开会的时候，周恩来将赵尔陆交给叶剑英和聂荣臻，让他们把赵尔陆安排到北京的西山休息。
但赵尔陆在西山没住几天，就对这种离开工作岗位、躲躲藏藏、度日如年的生活很不满意，他向叶、聂二位老帅提出，国防工业没人管是不行的，自己还是回到机关，做好群众工作，取得群众谅解，尽全力抓好国防工业。
1967年1月22日晚，聂荣臻和叶剑英元帅终于同意赵尔陆回去抓工作，赵神采飞扬地对前来看望自己的妻子和女儿说：“两位老帅让我因势利导，做好群众工作，争取早点取得群众谅解。”全家人愉快地聚在一起吃了一顿晚餐，然后，他目送妻女踏上返城的汽车。
这天深夜，赵尔陆从西山乘吉普车悄悄地回到办公大楼。当他得知除了氢弹研制和极少数项目还在运转外，大部分国防工业的研究和生产几乎处于瘫痪，他心急如焚、夜不能眠，再加上心脏病和哮喘病的折磨，使他到了难以支撑的边缘。
而在这期间，造反派仍没有停止对赵尔陆的批判，林彪在一次讲话中说了这样一句话：“对赵尔陆的错误要狠狠地批，对他的工作要重重地用。”此后，赵尔陆的日子更不好过了。
1967年2月2日上午8时，周恩来办公室打来电话：周总理让赵尔陆立即去中南海休息——这是周恩来对赵尔陆的又一次保护。可是，当工作人员推开赵尔陆办公室的门，吃惊地发现，赵尔陆坐在平时加班用的小床上，已经停止了呼吸！曾经驰骋疆场的骁将，就这样悄无声息地远去了。
然而，当时有些人却说赵尔陆是自杀，是叛徒，要打倒他。周恩来立即命令尸检。确定赵尔陆因心脏病突发，死于凌晨2时。周恩来对造反派代表们说：“赵尔陆同志死了，有人还要打倒他。说句公道话，这个同志一直在后勤战线工作，勤勤恳恳。活的要保，死的也要保。”
后来，毛泽东从女儿李敏口中得知赵尔陆的死讯，非常气愤地说：“赵尔陆是个好同志，是上过井冈山的人。为什么要整他？”
赵尔陆逝世4个月后，1967年6月17日，中国第一颗氢弹在西北地区爆炸成功。