由于工作的需要，中国工程物理研究院的科学家们常年转战的是新疆、青海的荒野戈壁和四川的深山老林。工作条件之艰苦难以想象，有的地方甚至连基本的查资料、看书的条件都不具备。在这样的环境下又承担的是那样的工作压力，许多科学家的身体都受到了很大的伤害。于敏作为“两弹”的核心人物更不例外。

1969年，我国首次地下核试验和一次大型空爆热试验并行准备，连着做。于敏参加了这两次试验。当时，他的身体很虚弱，走路都很困难，上台阶要用手帮着抬腿才能慢慢地上去。热试验前，当于敏被同事们拉着到小山岗上看火球时，就见他头冒冷汗、脸色发白、气喘吁吁。大家见状赶紧让他就地躺下，给他喂水。过了很长时间，在同事们的看护下，他才慢慢地恢复过来。由于操劳过度和心力交瘁，于敏在工作现场几至休克。

正当于敏他们在为祖国第一代核武器的研制呕心沥血忘我工作的时候，理论部被迫搬迁“三线”。不少专家被打倒，到河南喂猪、放牛、种地。于敏、周光召等虽幸免，但必须举家随大队人马迁往大西南。

当年，于敏和同事一起踏上了开往西南的专列。也许因为是临时加车，有站就停，有车就让，车速很慢。有时在深山峡谷中一停就是好几个小时。除了少数老弱病残者坐硬卧车厢外，大部分人挤在没有厕所的大闷罐车厢内。于敏本来身体就不好，加上长途跋涉，休息不好，导致胃病发作，整整四天四夜，他差点被折磨死。

到了大西南的深山沟，住房还在抢建，连查资料的工作条件都不具备，可是热核试验的时间很紧，所以没过几天，上面只好又做出决定，家属留在深山，科研人员全部返京。于敏带着还没有休息过来的身体和没有治好的疾病，只身回到了北京。

由于沉重的精神压力和过度的劳累，回到北京后，于敏的病情日益加重。军管组考虑到于敏的贡献和身体状况，特许于敏的妻子孙玉芹10月回京探亲。一天深夜，于敏感到身体很难受，就喊醒了妻子。妻子见他气喘心急，赶紧扶他起来，给他喂水，不料于敏突然休克过去。后来许多人想起来都后怕：如果那晚孙玉芹不在身边，也许后来的一切就都不存在了。正是因为这个原因，后来连军管组都同意，作为特例，将于敏的妻子迁回北京。

这次出院后，于敏本来应该好好休息一下，可是为了完成任务，他顾不上尚未完全康复的身体，再次奔赴西北。1973年，由于在青藏高原连续工作多时，在返回北京的列车上他开始便血，回到北京后被立即送进了北京医学院第三附属医院检查。在急诊室输液时，于敏又一次休克在病床上。

于敏虽然身体不好，但是从来没有因为身体情况耽误过丝毫工作。作为研究人员，于敏的工作对象是武器理论设计，但他对实验相当重视。著名实验核物理学家王淦昌曾说，在他接触到的我国理论物理学家中，最重视物理实验的人是于敏。他八上高原，七到戈壁，为我国的核武器事业，隐姓埋名，殚精竭虑，确实到了鞠躬尽瘁的地步。1980年，他当选为中国科学院数学物理学部委员（后改称院士）。

20世纪80年代初，于敏就意识到惯性约束聚变在国防上和能源上的重要意义。为引起大家的注意，他在一定范围内作了“激光聚变热物理研究现状”的报告，并立即组织指导了我国理论研究的开展。

1986年初，邓稼先和他对世界核武器科学技术发展趋势作了深刻分析，对我国所处发展阶段作了准确估计，向中央提出了加速核试验的建议。事实证明，这项建议对我国核武器发展起了重要作用。

1988年，于敏与王淦昌、王大衍一起上书中央领导，建议加速发展我国惯性约束聚变研究并将它列入我国高技术发展计划。他们的建议被采纳后，我国的惯性聚变研究进入了新的阶段。

1993年后，于敏给新任院领导写信，提出核禁试后一定要把经验的东西上升到科学的高度，用经过实验校验的精密的计算机模拟来保障库存核武器的安全、可靠和有效性。

1999年9月18日，在中央军委表彰为研制“两弹一星”作出突出贡献的科技专家大会上，于敏第一个被授予“两弹一星”功勋奖章，并代表科学家进行了发言。

于敏虽然从领导岗位退了下来，但他仍然关注着这一领域的最新动向。他认为，现在的核武器又进入了一个新的时期和新的历史阶段。它有两个明显的特点：一是某些核大国的核战略有了根本性的改变。过去是威慑性的，现在则在考虑将核武器从威慑变为实战。二是某些核大国加紧研究反导系统，并开始部署，使得核武器对它没有威慑性。防御了对方的威慑，就成为新的垄断。于敏说：“我们当初是为了打破核垄断才研制核武器的。对此，如何保持我们的威慑能力，要引起足够的重视。如果丧失了我们的威慑能力，我们就退回到了20世纪50年代，就要受到核讹诈。但我们不能搞核竞赛，不能被一些经济强国拖垮。我们要用创新的符合我国国情的方法，打破垄断，以保持我们的威慑力。”