原子弹研制初期，程开甲被任命为核武器研究所副所长，分管材料状态方程的理论研究和爆轰物 理研究，为原子弹的研制作出了贡献。他第一个采用合理的TFD模型估算出原子弹爆炸时弹心的压力和温度，为原子弹的总体力学计算提供了依据。负责原子弹结 构设计的郭永怀拿到结果，高兴地说：“老程，你的高压状态方程可帮我们解决了一个大难题。”
        1962年上半年，我国原子弹的研制工作闯过无数技术难关，露出了希望的曙光。中央适时作 出争取在1964年、最迟在1965年上半年爆炸我国第一颗原子弹的“两年规划”。为加快进程，钱三强等二机部领导决定，另外组织队伍，进行核试验准备和 技术攻关，组建核武器试验研究所。经钱三强推荐，程开甲成为我国核试验技术的总负责人，担任核武器试验研究所副所长。44岁的程开甲穿上军装，成为一名军 人。从此，他将全部精力投身到中国核武器试验事业。
        从1963年第一次踏入号称“死亡之海”的罗布泊，到最后回到北京定居，程开甲在茫茫戈壁 工作、生活了20多年，历任核武器试验研究所副所长、所长、核试验基地副司令。兼任核武器研究所副所长，后来，核武器研究所改为研究院，他任副院长，直至 1977年。20多年里，作为我国核试验技术的总负责人，他成功地参与主持决策了包括我国第一颗原子弹、氢弹、增强型原子弹、两弹结合以及地面、首次空 投、首次地下平洞和首次竖井试验在内的多种试验方式三十多次核试验任务，而且带领科技人员建立发展了我国的核爆炸理论，系统阐明了大气层核爆炸和地下核爆 炸过程的物理现象及其产生、发展规律，并在历次核试验中不断验证完善，成为我国核试验总体设计、安全论证、测试诊断和效应研究的重要依据。以该理论为指 导，创立了核爆炸效应的研究领域，建立完善不同方式核试验的技术路线、安全规范和技术措施；领导并推进了我国核试验体系的建立和科学发展，指导建立核试验 测试诊断的基本框架，研究解决核试验的关键技术难题，满足了不断提高的核试验需求，支持了我国核武器设计改进和运用。
        生命不息，创新不已
        1984年程开甲离开核武器试验基地，担任原国防科工委（现总装备部）科技委委员。由于工作职责和科研环境的变化，他的科研工作转入国防科技发展战略研究，开启了他学术研究的新时期。
        一方面，他围绕“假如打一场高技术战争，我们怎么办”进行战略层面的思考谋划。上世纪80 年代，程开甲提出必须提高我国战略武器抗辐射能力的思想，并亲自担任该研究方向的专业组组长，开创了抗辐射加固技术研究新领域。在他领导下，系统开展了核 爆辐射环境、电子元器件与系统的抗辐射加固原理、方法和技术研究，利用核试验提供的辐射场进行辐射效应和加固方法研究；指导建设先进的实验模拟条件，推动 我国自行设计、建造核辐射模拟设施，开展基础理论和实验研究，促进了我国抗辐射加固技术的持续发展，他还倡导开展了高功率微波研究新方向，为国防科技和武 器装备发展作出了重要贡献。
        另一方面，他重新开始基础研究课题，取得了成果。他进一步发展、完善了“程—玻恩”超导电 性双带理论。20世纪50年代BCS理论提出， 80年代中期高温超导体的发现，使人们看到了BCS理论的局限性。程开甲分析了国际上超导理论的研究现状，进一步发展、完善了高温超导和低温超导普遍适用 的双带理论。出版了Study of Mechanism of Superconductivity （1991）和《超导机理》（1993）两部专著。