1960年7月，一纸调令将程开甲送往二机部九所。当时的中国，既面临苏联撤走专家的技术封锁，又遭遇三年困难时期的物资匮乏，研制原子弹无异于“在荒漠上建大厦”。在核武器研究所，程开甲分管材料状态方程理论和爆轰物理研究。面对团队成员理论知识不足的现状，他每晚在灯下备课，系统讲授托马斯—费米理论和固体物理等知识，手把手教大家查阅外文文献。那些日子里，他率领科研人员废寝忘食，不时饿着肚子工作，实在撑不住就喝几口冷水，在沙发上蜷一会儿又继续演算。

程开甲的专注达到了忘我的境界。有次去食堂打饭，他把饭票递给师傅，却脱口而出：“我给你这个数据，你验算一下。”直到邓稼先提醒，他才回过神来。吃饭时，他用筷子在桌上写公式的场景，成为同事们记忆中深刻的画面。经过半年攻坚，程开甲采用合理的TFD模型，估算出原子弹爆炸时弹心的压力和温度，为总体力学设计提供了关键依据。负责结构设计的郭永怀激动地说：“这个方程解决了大难题！”

1962年，程开甲正式成为第一颗原子弹爆炸试验的最高技术负责人。面对苏联专家“给颗原子弹也弄不响”的嘲讽，他带领团队从仅有的《爆炸波》一书和零星谈话资料入手，持续收集研究国外相关最新资料，反复论证试验方案。当他提出采用百米高铁塔进行静态试验（塔爆）时，不少专家表示担忧，但他坚持科学论证，主持起草的试验纲要最终获国防科委批准。

1964年10月16日，罗布泊上空升起蘑菇云。当确认试验成功的通讯传到北京，周恩来总理在人民大会堂宣布消息时，全场响起经久不息的掌声。原子弹试验成功后，程开甲马不停蹄投入氢弹研制。针对氢弹试验当量更大、沾染更严重的问题，他率领团队提出“在塔基若干米半径范围的地面上适用水泥加以固定，以此减少尘土的卷入”的创新方案。为验证理论，他带着技术骨干在戈壁滩用常规炸药做化爆模拟，最终确保1966年12月28日氢弹原理试验圆满成功。

从1962到1984年，程开甲为我国核试验发展做出了难以言喻的巨大贡献。盛夏的戈壁地表温度超过50℃，他和同事们顶着烈日安装设备；严冬气温低至-30℃，他们在寒风中坚持调试仪器。正是在这样的极端环境中，他们创造了从原子弹到氢弹仅用32个月的奇迹，比美国短了4年8个月。

核爆炸试验现场（左三为程开甲）