Một công trình của Mao không bị cắt xén: công trình chế bom nguyên tử. Tháng 4-1964 Mao được biết là quả bom có thể sẽ được hoàn thành vào mùa thu năm ấy, Mao liền thay đổi thái độ với Liên xô. Mao ve vãn Khrusev bằng những lời lẽ như "TQ vẫn là một thành viên của khối cộng sản", và "hãy để bọn đế quốc run sợ vì sự đoàn kết của chúng ta". Về mặt an ninh, dù công xưởng chế bom nguyên tử Lop Nor được xây cất trong sa mạc Gobi, hoàn toàn cô lập với bên ngoài và mọi nhân viên đều đã phải ở trong đó không được ra ngoài trong nhiều năm, có người cả 10 năm rồi không được về nhà, Mao vẫn không yên tâm. Ông bí mật cho dời cơ xưởng này tới một địa điểm khác, được xây cất sâu trong núi. Điạ điểm mới này tốn hơn 200 tỷ nhân dân tệ, và quy tụ công sức của hơn 4 triệu người.

Vẫn còn một điểm Mao phải quan tâm: Việt nam ở phía nam TQ. Vào năm1963 Mỹ có khoảng 15 ngàn cố vấn ở Nam VN. Mao lập luận là Mỹ sẽ không dám tấn công vào lò nguyên tử của TQ nếu Mỹ có quân đông ở VN vì một cuộc tấn công như thế của Mỹ sẽ khiến quân TQ có lý do tràn sang VN giết quân Mỹ đang đóng ở VN. Vì thế Mao khuyến khích Bắc Việt mở rộng cuộc chiến với Mỹ sang Lào và Thái lan, và tăng cường gửi người vào Nam VN. Mao cố vấn Hồ: "Đừng sợ Mỹ đưa thêm quân. Ngay cả nếu Mỹ xâm lăng Bắc Việt, quân đội TQ sẽ lập tức gửi quân sang, lập lại bài học Triều tiên". Chu Ân Lai tuyên bố với Tổng thống Nasser của Ai cập: "Nếu Mỹ có thêm quân ở VN chúng tôi sẽ càng vui thêm, vì chúng tôi sẽ có thêm nhiều con tin" Chu cũng tuyên bố với Tổng thống Nyerere của Tanzania: "Bắc Kinh sẽ đổ quân vào Bắc Việt ngay khi Mỹ tấn công lò nguyên tử TQ, dù có hay không có sự đồng ý của chính phủ Hà nội".

Ngày 16-10-1964 TQ thử trái bom nguyên tử đầu tiên ở lò nguyên tử Lop Nor. Không nói tới những tai hoạ ghê gớm gây ra bởi trái bom cho môi trường chung quanh lò Lop Nor, chỉ kể những chi phí mà TQ đã bỏ ra để chế tạo quả bom này lên tới 4 tỷ Mỹ kim (tiền năm1957), một số tiền lớn đủ để mua gạo cho toàn dân TQ sử dụng trong hai năm. Số tiền này đủ để cứu sống 38 triệu nhân mạng đã chết vì đói ở TQ. Trái bom của Mao đã gây thiệt hại về nhân mạng gấp 100 lần hai trái bom Mỹ thả xuống Nhật.