1965年3月，中央专委鉴于DF-2导弹的定型装备和严峻的国际形势，下达了在1965-1972年研制出DF-2A、DF-3、DF-4和DF-5四种液体弹道导弹的命令，即著名的“八年四弹”计划。到1972年，DF-2A导弹已定型装备部队，DF-3、DF-4进行了多次试飞，DF-5导弹也进行了首次飞行试验。第二代战略导弹的研制开始提上议事日程。如果说第一代战略导弹解决了有无问题，第二代战略到导弹就要解决先进精良的问题。根据总参和二炮提出研制远程战略导弹的要求，经过两年的酝酿，七级部一院于1974年夏天组成“三结合”研究小组，钱振业任组长，具体组织研究技术发展途径。经过对国外导弹发展的研究和对二炮作战部队使用第一代战略导弹情况的调研，研究小组认为第一代战略导弹武器存在的主要问题是固定阵地发射生存能力低，因此提出了“以公路区域机动，快速发射”作为第二代战略导弹设计的主导思想。钱学森也在研制第二代战略导弹的建议中，提出以提高生存能力、突防能力和打击能力为第二代战略导弹研制工作的重点。机动导弹的思想得到了李达副总参谋长的肯定，“要按主席打运动战的战略思想，武器要机动，能……大踏步地前进，大踏步地后退。”
1977年底，七机部重新讨论型号和发展规划。1978年夏，由芮杏文副部长组织有关人员，深入到各院、所召开座谈会，征求对发展规划的意见，钱振业等人再次提出了研制机动发射远程导弹的方案。1978年8月1日、2日两天上午，邓小平、王震、杨勇、张爱萍听取七机部部长宋任穷、副部长郑天翔、王纯等的汇报。邓小平听取汇报后做了重要指示：“我最有兴趣的是陆上机动，用现代化武器打游击战争。”随后召开的国防科委在规划会议，明确了中国战略武器的研制要努力完善第一代，尽早结束试验阶段，抓紧研制机动的第二代武器的发展方针。
从此，我国第二代远程机动发射战略导弹正式列入了计划，开始了新的“长征”。
第一个正式立项研制的型号是第二代移动式液体远程导弹DF-22导弹。1978年底，七机部开始组织队伍进行DF-22的方案论证和预先研究，实现机动、快速发射，提高命中精度和突防能力，同时实现小型化、标准化、系列化和通用化。这个型号被定为国家重点工程，代号“202工程”。1979年，王永志被国防科工委任命为总设计师，一院副院长冬春任总指挥。研制人员在短时间内突破了研制第二代战略导弹的11项关键技术，如制定落实了机动发射方案，研制了新型结构材料，进行仪器设备小型化设计并研制了全数字化的控制系统和高性能液体火箭发动机，在管理上也有新的发展，取得了宝贵的经验。到1984年底，已完成了初样设计、生产和试验任务。
20世纪80年代中期，中央军委明确近期武器装备的发展以常规武器为主，适当发展战略核武器的方针。国防科工委在制定国防科技“七五”计划时，调整了研制经费，增加了常规武器研制费的比例。
与此同时，固体远程导弹的关键技术──大直径固体火箭发动机的研制也取得突破性进展。1983年2月4日，单发装药量超过20吨的ZF-3大型发动机首发试车成功。1983年12月底，2m直径的FG-06和FG-07发动机地面热试车。1984年6月30日，FG-08发动机试车成功。固体导弹相对于液体导弹更适合机动的要求，为了加速实现战略导弹由液体向固体的转变，1985年1月，国务院、中央军委正式批准停止DF-22导弹的研制工作。
DF-22导弹下马后，航天部成立了由固体型号有关的一院、二院和四院和部机关共同参加的远程固体导弹联合论证组，由一院副院长王永志任组长。他力主在技术途径上采用“大直径、基本型、系列化”的做法，经过几番争论，这一思想最终得到了各级领导和专家的认同。1986年5月航天工业部指定王永志担任远程固体导弹基本型DF-31的总设计师（后由刘宝镛接替）。同年7月，航天部明确该型号的研制工作由一院承担，计划2000年前定型装备部队。作为第一任总设计师，王永志主持制定了该基本型的技术方案，大量采用了液体远程导弹的成果，如头部、末速修正技术、仪器设备小型化以及全数字化控制系统等。
DF-31导弹有十三项大的关键技术，包括固体火箭发动机技术、复合材料与结构技术、小型化弹头技术、弹上电子设备小型化技术、高精度惯导技术、快速机动发射技术、突防技术、新一代试验遥测技术、制导控制系统误差分离技术、全弹总体技术等。
为了加速DF-31导弹的研制进度，一院在DF-4导弹的基础上研制了弹头试验弹DF-31TS，也就是CZ-1D运载火箭的原型。其中二级改用YF-40发动机，并新研制了双组元液体末修姿控发动机（第一代战略导弹用的是单组元末修发动机）。1995年6月1日，DF-31TS导弹进行了首次飞行试验。试验前的导弹加注中曾发生推进剂泄露事故，所幸抢险及时未造成重大伤亡。1997年11月进行了第二次飞行试验。这两次试验对导弹的末修姿控系统和小型化弹头的再入、防热、遥测、突防系统、核战斗部的引控系统等进行了试验。2002年1月的第三次飞行试验因发动机故障失败，随后该型号停止研制，CZ-1D火箭也因种种原因未能投入使用。
由于新技术多，技术跨度大，工业基础薄弱，DF-31导弹立项后经过8年的研制，才完成了总体方案设计和模样、初样研制，1994年11月转入试样研制阶段。然而随后的研制进展并不是很顺利，1998年3月试样发动机地面热试车发生爆炸，原定的研制计划被迫推迟。不过，DF-31最终于1999年8月2日赶在国庆阅兵前成功进行了首次飞行试验。一位中央军委首长得知试验成功的消息后有些激动的说：“（DF-31）可以参加阅兵了！如果少了它，阅兵的意义起码减半。”
DF-31首飞成功后又于2000年11月4日和12月16日成功进行了两次飞行试验，2004年获得国家科技进步特等奖。
经过多年论证和预研，尤其是高能固体推进剂N-15（综合性能相当于美国的NEPE）的研制成功，陆基固体洲际导弹DF-31A和潜地洲际导弹JL-2两个型号于1999年底正式立项。DF-31A的研制过程总的来说比较顺利。尽管由于XX系统设计上的一个小缺陷导致首次飞行试验失败，但随后的飞行试验都取得了成功，最后于2006年定型装备部队。JL-2的研制过程在《中国海基核力量建设》一文中已有叙述，此处从略。
与第二代战略导弹配套的第二代核武器研制工作也始于20世纪70年代中期。中央专委提出我国第二代核武器的发展方向是小型、机动、突防、安全、可靠。国防科工委和二机部向九院下达了第二代核武器的研制任务。要实现这样的目标，氢弹核装置小型化、提高比威力是关键，不仅需在武器物理设计方面采用新的设计思想和新的结构，还必须在工程设计、材料科学、测试技术和加工技术等各个方面有所突破。科研人员把理论设计的任务分解成14个关键问题和34个技术难点，依靠集体智慧各个击破，用人的智能拓展了计算机的功能，完成了精确的二维甚至三维问题的程序设计。
在新型炸药部件研制中，科研人员提出许多设想方案，从中选出5个方案组织进行多方探索研究对比，被称为“五朵金花”，最后优选主攻一个方案，有效解决了炸药部件的小型化问题，炸药重量和体积减到了只有原来的几十分之一。核材料部件的制造加工难度很大，而且核部件材料价值非常昂贵。经过群策群力，改造了工艺设备，创造了10多项国内首创技术，保证关键部件的铸造加工一次成功。
测试技术方面，针对地下核试验遇到的各种困难，研制和试验两方面人员协同攻关，不断解决了抗辐射、电磁干扰，提高信噪比等关键技术问题，建立和发展了一整套核测试新技术。
氢弹的小型化，关键是初级的小型化，这使得所谓的氢弹和原子弹之间的区别消失了，也融合了聚变增强裂变和裂变增强聚变的技术。裂变和聚变爆炸的最好的技术结合在一起，成为了一个可缩放的设计原则。即使是155毫米直径的核炮弹也可以是一个两级热核武器。
需要采用助爆原理(初级已不是纯裂变弹)。所谓“助爆”，是指在裂变装置的中央加人少量的聚变材料，用低裂变威力引发聚变反应，使聚变反应放出高能中子再引起裂变，以此来提高初级的裂变材料利用效率，这是初级小型化的重要措施。助爆初级又分为“气体助爆”和“固体助爆”两种形式。所谓的固体助爆是指聚变材料在武器中以氘氚化锂-6的形式存在，气体助爆指的是聚变材料在武器中以氘氚气体的形式存在。作为核武器世界的霸主美国最先掌握这项技术并一直沿用，为了保持增强核武器的威慑性，美国还继续在生产氘氚等氢同位素助爆气体。我国在DF-5核弹头中采用了固体助爆的初级，在第二代核武器中采用了气体助爆的初级。
需要采用助爆原理(初级已不是纯裂变弹)。所谓“助爆”，是指在裂变装置的中央加人少量的聚变材料，用低裂变威力引发聚变反应，使聚变反应放出高能中子再引起裂变，以此来提高初级的裂变材料利用效率，这是初级小型化的重要措施。助爆初级又分为“气体助爆”和“固体助爆”两种形式。所谓的固体助爆是指聚变材料在武器中以氘氚化锂-6的形式存在，气体助爆指的是聚变材料在武器中以氘氚气体的形式存在。作为核武器世界的霸主美国最先掌握这项技术并一直沿用，为了保持增强核武器的威慑性，美国还继续在生产氘氚等氢同位素助爆气体。我国在DF-5核弹头中采用了固体助爆的初级，在第二代核武器中采用了气体助爆的初级。
由于助爆初级（尤其是气体助爆）涉及一系列复杂的物理过程，需要进行大量的模拟计算，并通过核试验加以验证，逐步摸清规律。我国的初级小型化核试验通过1982年10月5日、1983年10月6日和1984年10月16日的三次试验，最终突破了气体助爆原理，九院为此获得1987年度国家科技进步特等奖。
次级小型化主要解决比威力与重量尺寸的权衡问题。次级由裂变材料和聚变材料组合而成。由于裂变材料(铀或钚)与聚变材料(氘化锂)的密度相差悬殊，同体积的铀或钚比氘化锂约重24倍。聚变燃料的完全燃烧放能约为同样重量裂变燃料的3倍。可见要减小体积就只有多用裂变材料(相应地增大了裂变份额的威力)；要减轻重量就少用裂变材料(相应地增大了聚变份额的威力)。因此次级小型化设计，要根据弹头的尺寸、重量要求加以权衡，尽可能满足提高比威力的要求。
20世纪80年代中期是我国第二代核武器研制的关键时刻，初级小型化原理已经突破，次级小型化的技术途径也已明确，我国的核武器距离世界先进水平只有一步之遥。美苏的核武器设计已接近理论极限，出于限制中国发展的政治需要，他们随时可能结束地下核试验，提出全面禁试。如果我国在核禁试前必须做的热试验没有做，该拿到的数据没有拿到，就会丧失时机，功亏一篑，造成不可弥补的巨大损失。于敏、胡仁宇、胡思得在1996年发表的文章中回顾：“严峻的形势，使邓稼先万分焦急。他不顾重病缠身，亲自组织研究讨论，起草给中央的报告，申述意见和建议。……提出了争取时机，加快步伐的战略建议以及需要集中力量攻克的主要目标，并且非常详细地列出达到这些目标的具体途径和措施。这是一份凝聚着稼先和他的同事们的心血和爱国热情，又十分客观、科学的建议书”。
1986年4月2日，由邓稼先和于敏署名的建议书完成，上交中央。中央很快就批准了他们的报告。同年7月29日，邓稼先病逝。随后，在国防科工委的组织下，抓紧制定了核武器加快发展的具体规划。广大科技人员以高度的紧迫感和责任感，团结协作，顽强奋战，决心闯出有自己特色的攀登之路，加大发展跨度。充分运用理论研究、实验研究和数值模拟等手段，进行科学论证，优选技术路线和攻关途径。
第二代核武器要真正做到武器化，确保安全、可靠、有效，满足部队要求和便于部队使用，还要进一步改进构型和小型化。为了适应小型化弹头的尖锥外形，为了把初级塞进鼻锥内，九院又研制了非球形构形的气体助爆初级，最终于1992年9月25日的核试验中取得成功。据美国人通过间谍手段获得的材料表明，该核装置的设计水平极高，仅比美国最先进的W88核弹头稍大。此次核试验中还采用了双轴针孔照像技术，标志着我国的核试验测试诊断达到了国际先进水平。
1992年，美国果然提出了全面核禁试的要求，中国中央和中央专委及时作出了“加快核试验”重要决策。在“加快核试验”期间，按常规办法至少需要二至三次试验突破的重大技术，由于充分吸收各方面智慧，集思广益，反复论证，决定打破常规，三步并为一步走，并发展了减威力核装置的设计技术和测试技术，大大减少了试验次数，节约了时间和经费。
在1996年国际上达成《全面禁止核试验条约》之前，我国计划安排的有限几次加快试验任务，全部告捷，每一次试验都在技术上有重大突破和进步。1996年7月29日，中国成功进行了最后一次地下核试验，随后宣布从次日起中国暂停核试验。两个月后的1996年9月29日，中国在联合国签署全面核禁试条约。
美苏为了称霸世界，研制的核武器性能多种多样，共研制上百种型号，形成庞大核武库，满足战略、战术的各种不同需要。我国的研制工着眼先进的设计思想和先进科学技术，集中力量研制有限的重点型号，有力粉碎大国的核垄断和核讹诈。在加快第二代核武器研制攻关中，以研制大幅度小型化、高比威力的核武器作为技术核心，集中各方面的智慧和力量，下苦功自主创新，只用了20次核试验，取得了小型化中三大里程碑式的技术突破，跨过了核大国上百次试验才能完成的历程。在核武器的安全性方面，我国也取得了重大突破。我国通过自主创新掌握了第二代核武器的核心技术，核武器物理设计达到了世界先进水平，与美俄处于同一档次，大大增强了我国自卫核威慑力量的有效性。
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