1957年，钱三强决定，推荐北京大学物理系教授朱光亚担任中科院原子能所物理实验室的副主任。
后来，钱三强在谈到当时为什么推荐朱光亚的时说：
朱光亚那时还属于科技界的“中”字辈，选他到原子能所，是因为他有以下长处：
第一，他具有较高的业务水平和判断事物的能力；
第二，他有较强的组织观念和科学组织能力；
第三，他善于团结人，既能与年长些的室主任合作得很好，又受到青年科技人员的尊重；
第四，他年富力强，精力旺盛。
……
1959年7月1日，35岁的朱光亚奉命调到二机部，担任核武器研究所副所长和第四技术委员会副主任，承担起中国核武器研制攻关的技术领导重担。
同时，朱光亚还负责点火等主要技术课题的攻关指导工作。朱光亚一上任，就立刻投入紧张的工作中。他积极协助副部长钱三强，组建机构、调集人员、筹备设施，很快组建成一支中国核武器的研制大军。
中苏关系恶化以后，苏联给我国的原子弹设计工作带来极大的困难。朱光亚面对这些艰难险阻，十分坚定地说：“我们就从苏联专家所作报告中留下的‘残缺碎片’开始研究……”
1962年9月，二机部提出著名的两年规划，即：争取在1964年下半年或1965年上半年爆炸第一颗原子弹的奋斗目标。
朱光亚又一次深深地意识到自己肩负的重担，从此，他变得更加忙碌了。
朱光亚经过反复思考，明确提出核爆炸试验应该分两步走：第一步先以塔爆方式进行，第二步再以空投方式进行。
后来的实践证明，这是一个切实可行的方案，对于中央正确决策起到关键的作用。
11月3日，毛泽东仔细审阅这份报告，十分高兴地在上面批示：
同意，很好。要大力协同，做好这件工作。
在朱光亚带领下，广大科研人员经过夜以继日艰苦奋斗，终于在中国的原子弹设计理论方面有了重大突破。
朱光亚作为研究所的主要领导人之一，负责全面的科研组织工作，他既抓技术指导、业务协调，又抓科研队伍的建设和管理。他那严谨细致、认真负责的工作作风，对核武器研制的成功起到了十分重要的作用。
1964年10月16日15时整，随着一声响亮的“起爆”，大漠中骤然闪出一道令人目眩的强光，一朵黄褐色的蘑菇云腾空而起。
朱光亚亲眼目睹了这幅惊心动魄的壮观画面，向来老成持重的他，此时却是激动万分。
这天晚上，在试验基地举行的庆功宴会上，朱光亚喜笑颜开，和大家开怀畅饮，直到喝得酩酊大醉。
邓小平曾说：“‘两弹一星’这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。”
中国研制成功原子弹，不但为保卫国家安全起到重大作用，而且反映了我们这个民族开始从落后走向强盛、走向复兴，这是炎黄子孙的光荣与骄傲。
对于中国原子弹的研制成功，朱光亚功不可没。
在第一颗原子弹爆炸成功前，在核工业部副部长钱三强的精心安排下，氢弹的理论探索就已经在原子能研究所开始了。
1965年初，这个研究小组被调到核武器研究所同这里的研究人员一起攻关。在朱光亚、彭桓武副所长的精心指导下，由邓稼先、周光召、于敏组织理论研究人员和有关专家，经过认真总结分析，详细制定了探索氢弹的理论研究计划。
经过大家半年多的刻苦钻研，中国的氢弹事业获得了飞速的发展。
1966年12月28日，中国的氢弹原理试验获得圆满成功。
1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。
在研制原子弹和氢弹的过程中，朱光亚成功地组织了王淦昌、彭桓武、郭永怀、程开甲、邓稼先、陈能宽、周光召、于敏等中国杰出科学家和工程技术人员进行“两弹”研制，被称为杰出的“科技帅才”。
钱三强曾经高度称赞朱光亚为中国原子弹事业做出的贡献，他说：“实践证明，朱光亚不仅把担子挑起来了，很好地完成了任务，做出了贡献，而且现在已经成为我国国防科学技术工作的能干的组织者、领导者之一。”
但是，朱光亚从来不愿意提及自己的功劳，他表现出科学家虚怀若谷的博大胸怀。
在有关国防科技回忆史料的文献中，都有朱光亚撰写的文章，但他从来都是只谈别人的贡献，不谈自己。
朱光亚曾经十分诚恳地说：“核武器研制是一项综合性很强的大工程，需要有多种专业、高水平的科学家与工程技术人员通力协作。”他特别提到了钱三强、王淦昌、彭桓武等科技专家不可磨灭的功勋。
朱光亚在别人称赞自己的时候，他总是淡淡一笑，十分谦虚地说：“过奖了。要说做了一些工作，那是大家做的。我个人并没有什么值得称道的地方。”
