从“中官聚落”向“中关村科学城”的飞跃
1954 年底，中科院地球物理研究所大楼建成，该所自南京迁来。1955 年，中科院化学研究所科研大楼建成，化学研究所筹建委员会、化工冶金研究所筹备处、实验生物研究所北京工作组（1956 年改称中科院北京实验生物研究所，1958 年成立中科院生物物理研究所）相继迁入。同年，文学楼和哲学楼建成；次年，文学研究所自北京大学迁入，哲学研究所自经济楼迁入。1956 年 10 月生物楼建成，中科院昆虫研究所、动物研究室、地理研究所北京工作站、应用真菌研究所相继迁入。中关村开始“热闹”起来。
1956 年 1 月，中共中央召开知识分子问题会议，号召“向现代科学进军”，周恩来总理在报告中指出“要用极大的力量来加强中国科学院，使它成为领导全国提高科学水平、培养新生力量的火车头”，会后着手制定了《1956—1967 年科学技术远景发展规划》（以下简称“12 年规划”）。此后，中科院配合“两弹”攻关，开创人造卫星事业，落实《发展计算技术、半导体技术、无线电电子学、自动学和远距离操纵技术的紧急措施方案》（以下简称“四大紧急措施”），部署和组织全国自然资源综合考察等具有战略意义的重大科研项目。中科院从 1953 年入主中关村，陆续有了中科院近代物理研究所、地球物理研究所、化学研究所、动物研究所等的实验大楼。
“四大紧急措施”对“两弹一星”的研制成功和国防现代化的发展起着关键性的作用，中关村科学城能迅速兴起，与之密切相关。为执行“12 年规划”，落实“四大紧急措施”，1957 年中科院建立一批新研究机构，并在中关村大兴土木。
在北区已有基础上，除向东扩展外，多数新建研究所布局在南区（即今北京北四环西路以南），并随之形成南区的生活服务设施和宿舍楼群。
1958 年 2 月，中科院计算技术研究所科研楼建成，该所与中科院数学研究所同时自北京西苑大旅社迁入；不久，中科院化工冶金研究所科研楼建成，中科院化工冶金研究所正式成立；8 月，中科院电子研究所科研楼建成，该所也自北京西苑大旅社迁入；10 月，中科院原子能研究所（原“近代物理所”）物理实验 2 号楼竣工，10 月5日—11 月 9 日期间在此楼内举办中科院“自然科学跃进成果展览会”。毛泽东、刘少奇、周恩来、朱德、陈云、邓小平等党和国家领导人亦先后来此参观。展览结束后，该楼由中科院生物物理研究所（原“北京实验生物所”）和中科院微生物研究所（由应用真菌研究所与北京微生物研究室合并成立）使用。同年11月，中科院地理研究所本部自南京迁入生物楼；年底，中科院力学研究所科研楼建成，中科院力学研究所、自动化研究所同时迁入。这一年，在中关村成立的还有主要承担探空火箭、地空导弹、人造卫星等军工任务的中科院科学仪器厂和中科院北京天文台。
1959 年年初，中科院物理研究所科研楼建成，该所（原称“应用物理所”）自北京东黄城根迁入；6 月，中科院遗传研究所在文学楼成立；12 月，中科院自动化研究所迁入新建成的科研楼。
此时，中关村科学城已成为共和国发展现代科学技术的重要科研基地。1954 年，中科院宿舍区 14 号楼、15 号楼建成，与次年建成的 13 号楼，一起被俗称为“特楼”。之所以被称为“特楼”，并不是它们比其他宿舍楼的内部条件好，而是入住这 3 座楼的大都是特级研究员。很快，以特楼为中心的北区宿舍区居住了大批学术精英，如钱学森、钱三强、郭永怀、赵忠尧、贝时璋、钱崇澍、秉志、柳大纲等。
从 1956 年下半年开始，中关村内有了中科院医务室（1962 年 1月在此基础上成立了中科院中关村医院）、餐厅、新华书店、外文书店、邮电所、合作社、大操场、电话局、游泳池、幼儿园……，保福寺小学也迁到了村内，并更名为中关村小学，还有了现在北京市民趋之若鹜、至今让老中关村村民念念不忘、郭沫若院长倡议成立并亲自题写牌匾的“中关村茶点部”。
1959 年中关村派出所成立，1961 年中关村街道办事处成立，从此“中关村”作为社会建制纳入国家行政区划的基层单位。从 1951 年开始，中关村内的科研建筑循序按北区、南区、东区扩展。宿舍楼群则先有北区、南区，后来延伸出黄庄小区和东南小区。在地域上，与当年国家划给中科院的用地范围基本相同。在此范围之内，中科院扩建到哪里，哪里的原有名称或是渐渐消亡，或是被“降格”而隶属于中关村。
截至 1966 年，中科院直属研究机构有 118 个，分布在北京的有 28 个，此中有 22 个集中在中关村地区。由此可见，中关村科学城的基本格局已经在“文革”前形成，它的飞速发展也成为新中国科学技术事业的一个缩影。
为中关村铸就辉煌的真正力量是它的“学根”。在这里，有科学家科技报国的感人故事。20 世纪 50 年代初，赵忠尧冒着风险从国外千方百计带回一些设备建造我国第一台粒子加速器，并用这台加速器研制了2．5 MeV 高气压型质子静电加速器，培养了我国大批核物理研究和高能物理的重要骨干人才；杨承宗用在国外省吃俭用带回来的科研设备资料和约里奥 · 居里夫人赠送的老居里夫人亲手制作的 10 g 碳酸钡镭标准源建立起来的我国第一个放射化学实验室，为我国核燃料化学研究及开展放射性核素的应用打下了坚实的基础，并建立起一整套金属铀的质量检验方法，培养了我国第一代放射化学中坚骨干。在这里，有专门组织和协调卫星、火箭探空任务的“581”组，有专门负责“东方红一号”人造地球卫星研制工作的“651”设计院。在这里，20 世纪 50 年代末，诞生了被誉为我国研制原子弹的“功勋计算机”——我国第一台大型电子管计算机 104 机，以及在现代航空、导弹、火箭、宇宙航行有广泛应用的、我国第一块氟橡胶；20 世纪 60 年代，诞生了在我国第一颗原子弹爆炸中发挥重要作用的专用无线电测高计、同步脉冲监测仪，为发射卫星、运载火箭和导弹提供了高可靠、长寿命空间功率行波管……
然而，那时候的中关村，还只是中科院的中关村，一提起中关村，人们必将先想到中科院。当时人们这样形容着中关村：“海淀区的中国科学院各大研究所的高墙深院内，是日新月异的高科技，我国的导弹、卫星、原子弹都在那里诞生；而高墙外面是中世纪田园风光，牛耕马拉的小农经济处处可见。”这里所说的“海淀区的中国科学院各大研究所”绝大多数集中在中关村。