规划实施路径与“紧急措施”
在 1956 年 1月国务院着手部署科技规划工作时，周恩来总理就阐述了迅速而有效地实现“十二年科技规划”目标的路径：
“第一，按照我们所最急需的门类，最迅速地派遣若干组专家、优秀的科学工作人员和优秀的大学毕业生到苏联和其他国家去作一年到两年的实习，或者当研究生，回国以后立即在科学院和政府各部分别建立发展这些科学和技术的基础，并且大量培养新的干部。同时，按照需要，每年陆续派人去实习和研究。第二，对于一部分学科，向苏联和其他有关的国家聘请若干组专家，请他们负责在最短期内帮助我们在科学院和有关各部门建立科学研究机构，培养干部，或者同我国科学界进行全面的合作。第三，有计划地组织大批科学工作人员和技术人员向现在在中国的苏联专家学习，把他们当作导师来利用，而不要当作普通工作人员来利用。在苏联援助我国建设的一百五十六项企业的建设和生产过程中，有系统地组织大批技术人员研究和掌握其中的新的技术原理，并且加以迅速地传授。第四，集中最优秀的科学力量和最优秀的大学毕业生到科学研究方面。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。第五，各个高等学校中的科学力量，占全国科学力量的绝大部分，必须在全国科学发展计划的指导之下，大量发展科学研究工作，并且大量地培养合乎现代水平的科学和技术的新生力量。第六，政府各部，特别是地质、工业、农业、水利、运输、国防、卫生各部门，应该迅速建立和加强必要的研究机构，同科学院进行合理的分工和合作，共同扩大科学界的队伍，并且负责把世界科学的最新成就，有计划地、有系统地介绍到实际应用中去，以便尽可能迅速地用世界最新的技术把我们国家的各方面装备起来。”
任何规划都要有可操作的具体措施，要明确工作重点和突破口。中国领导人深知战略武器在战争和国际政治中的关键作用。在毛泽东主席看来，要不受人家欺负，就不能没有原子弹。自然，原子弹和导弹的研制成为“十二年科技规划”的重中之重。除此之外，如何纲举目张地实施一个庞大的规划？这是摆在中央政府面前的一个重要管理问题。
周恩来总理向科学规划委员会提出的问题是，“十二年科技规划”文本印出来有那么厚一摞，国务院怎么抓？他要求委员会把最紧急的事情写成一个报告。委员会秘书长张劲夫立即组织科学家起草紧急措施文本。作为学科带头人的科学家在选择应该优先做哪些事方面扮演了主要角色。例如，钱学森在确定几个项目方面起了“举足轻重的作用”。他力主重点发展导弹技术、无线电技术、电子计算机、自动化技术、原子能和半导体技术，并清楚地说明了理由。最终，科学家们议定了《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》（简称“四大紧急措施”）。实际上，原子弹和导弹技术也被列入紧急措施文本，但在当时不能公开。“四大紧急措施”于 1956 年 5 月由科学规划委员会正式提交国务院审议，经周恩来总理亲自过问，很快被批准。实践表明，“四大紧急措施”有效地支撑了核弹和导弹的研制。
争取苏联和东欧社会主义国家的科技援助也是实施“十二年科技规划”的重要举措。苏联政府在 1954 年 10 月11日与中国政府签订科技合作协定，扩大了科技援助，帮助中方补短板。1957 年 10 月15日，苏联与中国签订《国防新技术协定》，同意在原子弹、导弹和航空等方面提供技术援助。1957 年 11 月1日，郭沫若率领庞大的科技代表团访问莫斯科，征求苏联方面对“十二年科技规划”的意见，访问苏联的国家科学技术委员会、科学院、高教部和有关中国规划任务的科研单位，以及商谈中苏双方的合作项目及请苏联专家帮助解决问题等。经过双方努力，中国代表团在 1958 年 1 月18日与苏联政府签订了《中华人民共和国政府与苏维埃社会主义共和国联盟政府关于共同进行和苏联帮助中国进行重大科学技术研究的议定书》（简称“122 项协定”）。协定的内容以技术科学为主，基本上涵盖了“十二年科技规划”的主要领域，包括 122 个合同项目，分为 600 多个课题；其中，中方参与单位有 200 多个，苏方参与单位达 400 多个，执行期为 1958 年到 1962 年。在 1960 年 7 月决定撤回专家之前，苏联在原子能、喷气技术、计算机、自动化、电子学、半导体、光学与精密机械等诸多学科领域向中国提供了援助，有效地配合了“十二年科技规划”的实施。
“十二年科技规划”的实施伴随着国家科技体制的构建，而体制建设为规划的实施提供了制度保证。在国务院重点加强中科院的同时，政府各部委纷纷建立科研机构，旨在尽快将新科技应用于工业、农业、交通运输、国防等领域。国务院科学规划委员会负责管理全国科技事业的方针、政策、计划和重大措施，统筹安排中科院、高校、产业部门和地方的科研机构。1958 年 11月，国务院科学规划委员会和国家技术委员会合并为国家科学技术委员会，负责领导全国科学技术工作。在规划实施期间，聂荣臻元帅任国务院副总理，并兼任航空工业委员会（1956 年）、科学规划委员（1957 年）、国家科学技术委员会（1958 年）和国防科学技术委员会（1958 年）等部门的负责人，参与顶层决策，并协调各方的人力物力。他是实际领导和协调全国军民科技力量的主要负责人。