規劃實施路徑與“緊急措施”
在 1956 年 1月國務院著手部署科技規劃工作時，周恩來總理就闡述了迅速而有效地實現“十二年科技規劃”目標的路徑：
“第一，按照我們所最急需的門類，最迅速地派遣若干組專家、優秀的科學工作人員和優秀的大學畢業生到蘇聯和其他國家去作一年到兩年的實習，或者當研究生，回國以後立即在科學院和政府各部分別建立發展這些科學和技術的基礎，並且大量培養新的幹部。同時，按照需要，每年陸續派人去實習和研究。第二，對於一部分學科，向蘇聯和其他有關的國家聘請若干組專家，請他們負責在最短期內幫助我們在科學院和有關各部門建立科學研究機構，培養幹部，或者同我國科學界進行全面的合作。第三，有計劃地組織大批科學工作人員和技術人員向現在在中國的蘇聯專家學習，把他們當作導師來利用，而不要當作普通工作人員來利用。在蘇聯援助我國建設的一百五十六項企業的建設和生産過程中，有系統地組織大批技術人員研究和掌握其中的新的技術原理，並且加以迅速地傳授。第四，集中最優秀的科學力量和最優秀的大學畢業生到科學研究方面。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。第五，各個高等學校中的科學力量，佔全國科學力量的絕大部分，必須在全國科學發展計劃的指導之下，大量發展科學研究工作，並且大量地培養合乎現代水準的科學和技術的新生力量。第六，政府各部，特別是地質、工業、農業、水利、運輸、國防、衛生各部門，應該迅速建立和加強必要的研究機構，同科學院進行合理的分工和合作，共同擴大科學界的隊伍，並且負責把世界科學的最新成就，有計劃地、有系統地介紹到實際應用中去，以便盡可能迅速地用世界最新的技術把我們國家的各方面裝備起來。”
任何規劃都要有可操作的具體措施，要明確工作重點和突破口。中國領導人深知戰略武器在戰爭和國際政治中的關鍵作用。在毛澤東主席看來，要不受人家欺負，就不能沒有原子彈。自然，原子彈和導彈的研製成為“十二年科技規劃”的重中之重。除此之外，如何綱舉目張地實施一個龐大的規劃？這是擺在中央政府面前的一個重要管理問題。
周恩來總理向科學規劃委員會提出的問題是，“十二年科技規劃”文本印出來有那麼厚一摞，國務院怎麼抓？他要求委員會把最緊急的事情寫成一個報告。委員會秘書長張勁夫立即組織科學家起草緊急措施文本。作為學科帶頭人的科學家在選擇應該優先做哪些事方面扮演了主要角色。例如，錢學森在確定幾個項目方面起了“舉足輕重的作用”。他力主重點發展導彈技術、無線電技術、電子電腦、自動化技術、原子能和半導體技術，並清楚地説明瞭理由。最終，科學家們議定了《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》（簡稱“四大緊急措施”）。實際上，原子彈和導彈技術也被列入緊急措施文本，但在當時不能公開。“四大緊急措施”于 1956 年 5 月由科學規劃委員會正式提交國務院審議，經周恩來總理親自過問，很快被批准。實踐表明，“四大緊急措施”有效地支撐了核彈和導彈的研製。
爭取蘇聯和東歐社會主義國家的科技援助也是實施“十二年科技規劃”的重要舉措。蘇聯政府在 1954 年 10 月11日與中國政府簽訂科技合作協定，擴大了科技援助，幫助中方補短板。1957 年 10 月15日，蘇聯與中國簽訂《國防新技術協定》，同意在原子彈、導彈和航空等方面提供技術援助。1957 年 11 月1日，郭沫若率領龐大的科技代表團訪問莫斯科，徵求蘇聯方面對“十二年科技規劃”的意見，訪問蘇聯的國家科學技術委員會、科學院、高教部和有關中國規劃任務的科研單位，以及商談中蘇雙方的合作項目及請蘇聯專家幫助解決問題等。經過雙方努力，中國代表團在 1958 年 1 月18日與蘇聯政府簽訂了《中華人民共和國政府與蘇維埃社會主義共和國聯盟政府關於共同進行和蘇聯幫助中國進行重大科學技術研究的議定書》（簡稱“122 項協定”）。協定的內容以技術科學為主，基本上涵蓋了“十二年科技規劃”的主要領域，包括 122 個合同項目，分為 600 多個課題；其中，中方參與單位有 200 多個，蘇方參與單位達 400 多個，執行期為 1958 年到 1962 年。在 1960 年 7 月決定撤回專家之前，蘇聯在原子能、噴氣技術、電腦、自動化、電子學、半導體、光學與精密機械等諸多學科領域向中國提供了援助，有效地配合了“十二年科技規劃”的實施。
“十二年科技規劃”的實施伴隨著國家科技體制的構建，而體制建設為規劃的實施提供了制度保證。在國務院重點加強中科院的同時，政府各部委紛紛建立科研機構，旨在儘快將新科技應用於工業、農業、交通運輸、國防等領域。國務院科學規劃委員會負責管理全國科技事業的方針、政策、計劃和重大措施，統籌安排中科院、高校、産業部門和地方的科研機構。1958 年 11月，國務院科學規劃委員會和國家技術委員會合併為國家科學技術委員會，負責領導全國科學技術工作。在規劃實施期間，聶榮臻元帥任國務院副總理，並兼任航空工業委員會（1956 年）、科學規劃委員（1957 年）、國家科學技術委員會（1958 年）和國防科學技術委員會（1958 年）等部門的負責人，參與頂層決策，並協調各方的人力物力。他是實際領導和協調全國軍民科技力量的主要負責人。