1956年，在党的“八大”上，时任军委总干部管理部副部长的宋任穷当选为第八届中央委员、中央政治局候补委员。不久以后，周恩来在会见他时说：“要从军队里调个中央委员，以加强地质战线。”
宋任穷
宋任穷也很想从事社会主义建设事业，于是两天后找周恩来毛遂自荐：“就把我调出来吧，我对穿那一身上将制服不习惯。”
周恩来听后高兴地说：“你能来，当然是再好不过了。但是，你能出来吗？你那一摊子谁来接？”
宋任穷说：“部里还有人。”
周恩来说：“那好，但要请示主席。”
不久以后，周恩来告诉宋任穷：“主席有新的考虑，要成立原子能委员会。”
原来毛泽东对宋任穷另有安排，早在1955年他就曾说过：“这件事（研究原子弹）总是要抓的。我们国家已经知道有铀矿，科学研究也有了一定的基础。现在到时候了，该抓了。认真抓一下，一定可以搞起来。”这番话标志着我国核工业建设的开始。
在选择谁来担任原子弹事业这项既机密又重要的工作的领头人时，宋任穷走进了毛泽东的视线。早在井冈山时期，宋任穷就一直跟随毛泽东，他的忠诚可靠和聪明干练给毛泽东留下了深刻的印象，在以后的革命征途中，每当一些重要而复杂的岗位需要得力的干部时，毛泽东总能想到宋任穷。
战争年代的宋任穷
但宋任穷却对此有顾虑，因为他只有高中文化水平，让他去领导制造原子弹，他觉得自己胜任不了。毛泽东知道以后，主动鼓励他说：“难道比你当年耍蛇还难吗？”
原来在井冈山时期，有一次宋任穷带的队伍被敌人打散了，此时他身无分文，只能一边乞讨一边寻找组织，尽管受尽磨难，但他始终意志如铁。在路上宋任穷碰见了两个玩蛇的人，他见这两人本领高超，为了谋生，便拜他们为师，经过一番练习，他也学会了玩蛇。
此后宋任穷一路上就靠着表演玩蛇填饱了肚子，而且由于有这层身份的掩护，他顺利地躲过了敌人的搜查。
宋任穷见主席如此信任自己，终于下定决定把这副担子挑起来。1956年11月，他被任命为负责研制原子弹的第三机械工业部部长。（1958年2月，三机部改为第二机械工业部）
宋任穷
刚到部里时，宋任穷拿出长征时夜行200里的劲头，一有机会就到研究室和科研人员交朋友，问问题，而且问就问个明白，他还把元素周期表挂在办公室里，一有时间就背诵。为了和苏联专家直接交流，他还自学俄语。很快，宋任穷就从一个外行变成了内行，也能跟研究人员侃侃而谈了。
宋任穷在上任之初，深知科研人才的重要性，他首先登门拜访中科院党组书记兼副院长张劲夫，并对他说：“劲夫，这个事太重要了，你要帮助哇！其他部门我也希望他们来支持，但主要靠科学院呐！”
张劲夫非常爽快地说：“没有问题。这是中央的任务，是国家的任务，也是科学院的任务。第一，我把原子能研究所全部交给你。另外，科学院其他各研究所凡是能承担二机部的研究任务的，我们都无条件地承担；如果骨干力量不够，还需要调一些人去，我们再想办法。”
张劲夫
在宋任穷的筹划与协调下，很快组织了一支包括邓稼先、钱三强、李四光等顶级科学家在内的科研队伍，地质部、冶金部、建工部、煤炭部等都将相关设计部门及施工单位划拨给三机部，宋任穷的手上很快拥有了一支强大的人才大军。
1957年夏，三机部成立了核武器局，对外称“九局”，这是部里最重要的一个局。宋任穷提议由西藏军区副司令员兼参谋长李觉任局长，并很快得到了批准。
当时李觉因为伤病，正在北京的一家医院疗养。有一天，副总参谋长陈赓来看望李觉，并问他：“李觉，身体怎么样啦？”
李觉回答说：“能吃能睡，没什么事了。”
陈赓笑着说：“那好，我们准备欢送你。”
陈赓
李觉感到莫名其妙，他问：“副总长，为什么要欢送我？往哪里送？该不会是把我送到荣誉军人疗养院吧？”
“没有那么便宜的事，详细情况宋任穷会告诉你。”
李觉还没来得及去找宋任穷，宋任穷就主动上门了，他开门见山地说：“老李，你的工作已经定了。要你来搞原子弹，二机部新成立核武器局，让你来当局长。”
李觉听后大惊，他说：“我不懂原子弹，连见也没有见过，怎么搞呀？”
宋任穷说：“你不懂，我也不懂；你没有见过，我也没有见过。我看还是要靠我们的老传统，过去在战争年代，毛主席教导我们要在战争中学习战争，我们打败了蒋介石，建立了新中国。今天就要在研制过程中学习研制，一定要把原子弹造出来。”
李觉也不再推辞，他很快走马上任，成为了宋任穷手下的一员干将。
李觉
铀是制造原子弹的主要原料，部里的工作走上正轨以后，宋任穷把找到铀矿当成头等大事来抓。哪里发现铀矿，他的身影就出现在哪里。他睡木板床，同大家吃一样的饭菜，还亲自拿着伽码仪测量矿点。
有一天，宋任穷来到工人宿舍转，工人都去上班了，他就在一个工人的帐篷里的床上躺下睡着了。这个工人下班以后，见有人在他床上睡觉，非常生气，就把宋任穷拍了起来，并说了宋任穷一通。但他哪里知道，躺在他床上的正是他们的部长呢？
宋任穷晚年时回忆说：“当时，我年纪还不大，不到50岁，不论冬夏，都与干部、工人一起住帐篷，同吃同住，并且向他们学习地质找矿知识……”
在宋任穷的带领下，三机部1958年正式向国家提供了第一批铀矿的工业储量。
宋任穷
当时受“大跃进”的影响，核战线上也提出了“大家办原子能科学”、“全民办铀矿”等口号。还有的人坚持要对苏联提供的设计和设备进行革新改造。宋任穷不同意，并来到中南海，当面向毛泽东汇报了这一情况。
毛泽东听完汇报后说：“你们的意见是对的。这个原子堆、铀235工厂，你们还没有掌握好，怎么就动手改了呢？比如写字，先得学写正楷，再学写行书，然后再练草书。”
宋任穷回去以后，传达了毛泽东的意见，统一了思想，他还作出强调：对苏联的主工艺设计不准改，对苏联提供的仪器设备不准乱拆乱动，如需任何改动，都要报经上级批准。这样成功地避免了一场盲动的危险。
但中苏的蜜月极为短暂，随着中苏关系紧张，苏联专家的态度也发生了变化。有一次苏联专家在向我方科研人员授课时，见科研人员聚精会神地记着笔记，他立即停下说：“不许记笔记，否则我就不讲了。”
宋任穷只好说：“我是部长，这事我负责，会后把笔记本一律收回，大家不要再记录了。”
宋任穷
下课以后，宋任穷马上组织科研人员到一起，根据回忆整理出了一份原子弹方面的资料。他对后面的严峻局势已经有所预料，并对大家说：“天要下雨，娘要嫁人，我们要有应变的准备。”
1959年6月20日，苏共中央致电中共中央：以“争取和平，缓和国际紧张局势”为由，提出中断向中国提供原子弹样品和生产原子弹的技术资料。面对这一严峻的形势，周恩来对宋任穷说：“中央研究过了，我们不理他那一套，他不给，我们就自己动手，从头摸起，准备用8年时间搞出原子弹。”
为了铭记这段发生于1959年6月的历史，中央特意将研制原子弹的工程定名为“596工程”。宋任穷也专门来到核武器研究所鼓励大家：“人家预言我们搞不成，我们一定要争口气。你们都是搞流体力学和空气动力学的，你们的任务就是要把这口气变成动力，把我们的事业搞成功！”
宋任穷
正是有了宋任穷的提前筹划和应变，我国原子能事业才没有造成混乱和停顿。
1960年初，毛泽东在广州接见了宋任穷，他问宋任穷原子弹什么时候能够爆炸，宋任穷回答：“即使尽到最大努力，爆炸时间也得推迟到1964年。”
但在一旁的康生却说：“1964年爆炸迟了，还是应该1962年爆炸。原子弹提前爆炸一天，就对中国革命和世界革命早一天有利。”
康生
毛泽东见康生根本不懂科学，于是批评他说：“康生，你去当部长吧！”康生听到这话以后，再也不敢吭声了。
1960年7月，苏联翻脸撤走了在华的所有专家，宋任穷在专家回国前抓紧做工作，利用请专家吃饭、开会欢送、私人接触等机会，劝他们留下一些研究资料，他的工作取得了很大的效果，不少专家回国前都留下了很多有价值的资料。
但也有些专家是不友好的，他们甚至还说：“这是对你们的毁灭性打击，你们只能守着一堆废铜烂铁。从此你们将处于技术真空状态，中国人20年也搞不出原子弹！”
宋任穷听后深受刺激，他在心里发誓：就是不依靠你们这些老大哥，我们也要自力更生拿下原子弹！
1960年9月，中央决定调宋任穷出任东北局第一书记，此前多次调动工作，宋任穷都能够愉快地服从组织安排，但这次，他却舍不得离开已经奋斗了多年的原子能事业，他专门去找邓小平报告，邓小平对他说：“这件事不要再提了，毛主席已经定了，准备去吧。”
邓小平
宋任穷见毛泽东决心已定，只能上任。不久以后，周恩来征求宋任穷的意见：“你走之后，谁来接你的工作？是否还要从军队里再找一个呀？”
宋任穷回答说：“从军队调人可以，如一时找不到合适的人选，由刘杰同志接任部长也行。”中央最终同意了宋任穷的建议，让刘杰接任了部长。
宋任穷临行前，刘杰要为他饯行，但他却说：“饭就免了，但有一个要求，你无论如何要答应，那就是，一有原子弹试验的消息，一定要及时告诉我。”
1964年10月16日下午，我国第一颗原子弹在新疆罗布泊爆炸成功。此前刘杰打电话告诉宋任穷，原子弹将在下午3点爆炸。这天宋任穷一直都在等，但等到晚上，新闻联播仍然没有报道。后来他才知道，是毛泽东说不忙着发消息，一再要求核实是不是核爆炸，等完全证实后再正式公布。
我国第一颗原子弹成功爆炸
宋任穷晚年在回忆起这段经历时，曾这么说：“我在二机部工作过四年多，曾经为此费过一些心思，作过一些努力，当然也感到特别高兴和欣慰。”
