從“中官聚落”向“中關村科學城”的飛躍
1954 年底，中科院地球物理研究所大樓建成，該所自南京遷來。1955 年，中科院化學研究所科研大樓建成，化學研究所籌建委員會、化工冶金研究所籌備處、實驗生物研究所北京工作組（1956 年改稱中科院北京實驗生物研究所，1958 年成立中科院生物物理研究所）相繼遷入。同年，文學樓和哲學樓建成；次年，文學研究所自北京大學遷入，哲學研究所自經濟樓遷入。1956 年 10 月生物樓建成，中科院昆蟲研究所、動物研究室、地理研究所北京工作站、應用真菌研究所相繼遷入。中關村開始“熱鬧”起來。
1956 年 1 月，中共中央召開知識分子問題會議，號召“向現代科學進軍”，周恩來總理在報告中指出“要用極大的力量來加強中國科學院，使它成為領導全國提高科學水準、培養新生力量的火車頭”，會後著手制定了《1956—1967 年科學技術遠景發展規劃》（以下簡稱“12 年規劃”）。此後，中科院配合“兩彈”攻關，開創人造衛星事業，落實《發展計算技術、半導體技術、無線電電子學、自動學和遠距離操縱技術的緊急措施方案》（以下簡稱“四大緊急措施”），部署和組織全國自然資源綜合考察等具有戰略意義的重大科研項目。中科院從 1953 年入主中關村，陸續有了中科院近代物理研究所、地球物理研究所、化學研究所、動物研究所等的實驗大樓。
“四大緊急措施”對“兩彈一星”的研製成功和國防現代化的發展起著關鍵性的作用，中關村科學城能迅速興起，與之密切相關。為執行“12 年規劃”，落實“四大緊急措施”，1957 年中科院建立一批新研究機構，並在中關村大興土木。
在北區已有基礎上，除向東擴展外，多數新建研究所佈局在南區（即今北京北四環西路以南），並隨之形成南區的生活服務設施和宿舍樓群。
1958 年 2 月，中科院計算技術研究所科研樓建成，該所與中科院數學研究所同時自北京西苑大旅社遷入；不久，中科院化工冶金研究所科研樓建成，中科院化工冶金研究所正式成立；8 月，中科院電子研究所科研樓建成，該所也自北京西苑大旅社遷入；10 月，中科院原子能研究所（原“近代物理所”）物理實驗 2 號樓竣工，10 月5日—11 月 9 日期間在此樓內舉辦中科院“自然科學躍進成果展覽會”。毛澤東、劉少奇、周恩來、朱德、陳雲、鄧小平等黨和國家領導人亦先後來此參觀。展覽結束後，該樓由中科院生物物理研究所（原“北京實驗生物所”）和中科院微生物研究所（由應用真菌研究所與北京微生物研究室合併成立）使用。同年11月，中科院地理研究所本部自南京遷入生物樓；年底，中科院力學研究所科研樓建成，中科院力學研究所、自動化研究所同時遷入。這一年，在中關村成立的還有主要承擔探空火箭、地空導彈、人造衛星等軍工任務的中科院科學儀器廠和中科院北京天文臺。
1959 年年初，中科院物理研究所科研樓建成，該所（原稱“應用物理所”）自北京東黃城根遷入；6 月，中科院遺傳研究所在文學樓成立；12 月，中科院自動化研究所遷入新建成的科研樓。
此時，中關村科學城已成為共和國發展現代科學技術的重要科研基地。1954 年，中科院宿舍區 14 號樓、15 號樓建成，與次年建成的 13 號樓，一起被俗稱為“特樓”。之所以被稱為“特樓”，並不是它們比其他宿舍樓的內部條件好，而是入住這 3 座樓的大都是特級研究員。很快，以特樓為中心的北區宿舍區居住了大批學術精英，如錢學森、錢三強、郭永懷、趙忠堯、貝時璋、錢崇澍、秉志、柳大綱等。
從 1956 年下半年開始，中關村內有了中科院醫務室（1962 年 1月在此基礎上成立了中科院中關村醫院）、餐廳、新華書店、外文書店、郵電所、合作社、大操場、電話局、游泳池、幼兒園……，保福寺小學也遷到了村內，並更名為中關村小學，還有了現在北京市民趨之若鶩、至今讓老中關村村民唸唸不忘、郭沫若院長倡議成立並親自題寫牌匾的“中關村茶點部”。
1959 年中關村派出所成立，1961 年中關村街道辦事處成立，從此“中關村”作為社會建制納入國家行政區劃的基層單位。從 1951 年開始，中關村內的科研建築循序按北區、南區、東區擴展。宿舍樓群則先有北區、南區，後來延伸出黃莊小區和東南小區。在地域上，與當年國家劃給中科院的用地範圍基本相同。在此範圍之內，中科院擴建到哪，哪的原有名稱或是漸漸消亡，或是被“降格”而隸屬於中關村。
截至 1966 年，中科院直屬研究機構有 118 個，分佈在北京的有 28 個，此中有 22 個集中在中關村地區。由此可見，中關村科學城的基本格局已經在“文革”前形成，它的飛速發展也成為新中國科學技術事業的一個縮影。
為中關村鑄就輝煌的真正力量是它的“學根”。在這裡，有科學家科技報國的感人故事。20 世紀 50 年代初，趙忠堯冒著風險從國外千方百計帶回一些設備建造我國第一台粒子加速器，並用這臺加速器研製了2．5 MeV 高氣壓型質子靜電加速器，培養了我國大批核物理研究和高能物理的重要骨幹人才；楊承宗用在國外省吃儉用帶回來的科研設備資料和約裏奧 · 居裏夫人贈送的老居裏夫人親手製作的 10 g 碳酸鋇鐳標準源建立起來的我國第一個放射化學實驗室，為我國核燃料化學研究及開展放射性核素的應用打下了堅實的基礎，並建立起一整套金屬鈾的品質檢驗方法，培養了我國第一代放射化學中堅骨幹。在這裡，有專門組織和協調衛星、火箭探空任務的“581”組，有專門負責“東方紅一號”人造地球衛星研製工作的“651”設計院。在這裡，20 世紀 50 年代末，誕生了被譽為我國研製原子彈的“功勳電腦”——我國第一台大型電子管電腦 104 機，以及在現代航空、導彈、火箭、宇宙航行有廣泛應用的、我國第一塊氟橡膠；20 世紀 60 年代，誕生了在我國第一顆原子彈爆炸中發揮重要作用的專用無線電測高計、同步脈衝監測儀，為發射衛星、運載火箭和導彈提供了高可靠、長壽命空間功率行波管……
然而，那時候的中關村，還只是中科院的中關村，一提起中關村，人們必將先想到中科院。當時人們這樣形容著中關村：“海澱區的中國科學院各大研究所的高墻深院內，是日新月異的高科技，我國的導彈、衛星、原子彈都在那裏誕生；而高墻外面是中世紀田園風光，牛耕馬拉的小農經濟處處可見。”這裡所説的“海澱區的中國科學院各大研究所”絕大多數集中在中關村。