В конце мая 1945 года завод прекратил выпуск изделий М-13, 1 июня началась инвентаризация выпущенной продукции, а в 1946 году произошли кардинальные перемены в жизни завода и поселка. 19 апреля приказом министра Б.Л. Ванникова все фонды, материальные ценности и личный состав завода 550 передавались Стройуправлению № 880. 21 июня 1946 года особым Постановлением Совета Министров СССР завод переходил в ведение Первого главного управления для реконструкции и модернизации под нужды секретного конструкторского бюро.

Днем начала первого Советского атомного проекта стало 9 апреля 1946 года, когда вышло закрытое постановление Совета Министров СССР № 805-327 о создании конструкторского бюро (КБ-11) при Лаборатории №2 Академии наук СССР. Начальником КБ-11 был назначен Павел Михайлович Зернов, главным конструктором - Юлий Борисович Харитон. Курировал проект лично Лаврентий Павлович Берия.

Научно-исследовательские и конструкторские работы в КБ-11 начались с середины 1946 года. Строились здания для научных работников, для конструкторов. Возводились лаборатории и казематы для исследований и испытаний, производственные площадки и новые цеха завода №2.

В рекордные сроки - на полгода раньше запланированного срока ушла на Семипалатинский полигон первая отечественная атомная бомба РДС-1. 29 августа 1949 года в 7 часов утра она была успешно испытана.

Страна отметила победителей достойно 29 сентября 1949 года звания Героев Социалистического Труда были удостоены В.И.Алферов, Н.Л.Духов (2-ая звезда), Я.Б.Зельдович, П.М.Зернов, Г.Н.Флеров, Ю.Б.Харитон, К.И.Щелкин. 29 сотрудников были награждены орденами Ленина, 15 - орденами Трудового Красного Знамени, 28 сотрудников стали лауреатами Сталинской премии.

После удачного испытания начались разработки новых модификаций зарядов от РДС-3 до РДС-6с. Появились новые заряды на более прогрессивных принципах - меньшие по габаритам и весу, по решению, «изящнее» первого образца и главное значительно мощнее. Они были испытаны в период с 1951 по 1953 годы.

Заряд РДС-2 с полномасштабным подрывом использовался в сентябре 1954 года во время уникальных войсковых учений на Тоцком полигоне. РДС-3 был сброшен с самолета ТУ-4 с высоты 10 км и взорван на высоте 400 метров. Это была уже первая настоящая бомба - ядерный боеприпас. Дальнейшее совершенствование зарядов было связано с созданием бомбы для реактивных бомбардировщиков ИЛ-28, также предстояло модифицировать заряд для баллистических ракет средней дальности Р-5М класса «земля-земля» и фронтовой крылатой ракеты КС-7.

12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне прошло успешное испытание первого советского заряда с термоядерным усилением РДС-6с. Это был четвертый по счету ядерный взрыв, произведенный в СССР. В заряде была успешно реализована идея Андрея Дмитриевича Сахарова - «слойка», обжимаемая взрывом химического взрывчатого вещества. В РДС-6с впервые в СССР было реализовано зажигание и горение термоядерного горючего. Кроме того, заряд был готовым оружием. Конструкция РДС-6с была выполнена с учетом возможности размещения в баллистическом корпусе авиабомбы, совместимой с самолетами Ту-4, Ту-16. У американцев было тогда лишь экспериментальное устройство массой несколько десятков тонн и размером с двухэтажный дом.

За разработку первого одноступенчатого водородного заряда РДС-6с большая группа разработчиков во главе с Сахаровым была удостоена звания Героев Социалистического Труда. 10 человек стали лауреатами Сталинской премии, орденами и медалями СССР были награждены 16 конструкторов.

Разработка первого двухступенчатого термоядерного заряда и его успешное испытание 22 ноября 1955 года стало основой для разработки серии термоядерных зарядов первого поколения. Создано боевое оснащение межконтинентальной стратегической ракеты Р-7, Р-12, морской ракеты Р-13, тяжелых бомбардировщиков Ту-16, Ил-28, межконтинентальных крылатых ракет «Буран» и «Буря». Разработка головной части для ракеты Р-7 шла совместно с ОКБ-1 под руководством С.П. Королева и КБ-25.

В январе 1960 года первый ракетный комплекс Р-7 был поставлен на боевое дежурство.

28 декабря 1957 года прошло первое испытание атомного заряда, изготовленного по новым технологиям, что позволило улучшить характеристики изделия, повысить его безопасность и снизить затраты остродефицитного плутония.