第三机械工业部主要任务是负责领导地方国营、公私合营、合作社营和私营的机械、电子工业，属于重工业管理部门。城市建设总局作为国务院的一个直属机构，主要任务是加强城市建设工作的领导。因为过去在建筑工程部内虽然设有城市建设局，进行了重点工业城市的规划和厂外工程的设计工作，但建工部主要任务是担负建筑任务，城市建设不可能成为它的领导重点；随着国家工业建设的发展，更加无力兼顾城市建设工作。城市建设总局作为城市布局规划的专门单位有利于总体规划和领导全国的城市建设。
1955年7月30日，第一届全国人民代表大会第2次会议决定，以原来燃料工业部所属的煤矿管理总局、电力管理总局为基础，分设煤炭工业部、电力工业部和石油工业部，同时撤销燃料工业部。这次会议还决定，为了使今后国家对粮食以外的农产品采购工作的领导走向统一，决定成立农产品采购部。经上述调整，截至1955年12月底，国务院设置工作部门已增至70个，其中部委39个，办公机构8个和1个秘书厅。
第一届全国人民代表大会通过1956年国家预算后，周恩来把相当一部分精力转入第二个五年计划的编制工作。由于“二五”计划相对于“一五”计划无论在资金投入、建设规模、原定指标都有大幅度的提高，这就使国务院各部委编制中的财政收支、物资供应、人员配备等在现有条件下难以取得平衡，急需增加财政预算和人员编制。因此自1956年起，国务院相应的机构设置与人员配备也出现了增加趋势。
1956年周恩来根据实际工作需要思考设计了国务院部委机构的调整方案，一方面成立若干新的部级机构，另一方面设立了新的综合性职能机构。
新的部级机构主要是依据四种情况而设立：一是一个部管的产业过多，业务过重，而且已经具备分部条件的，如重工业部和林业部；二是有些产业部门，目前业务规模虽然不很大，但是从远景规划上看，需要设独立的管理机构才有利于它的发展，如农垦部和水产部；三是为了适应资本主义工商业按行业实行公私合营的情况，贯彻按行业归口管理的方针，必须按照产业重新划分管理系统的，如综合管理地方工业的地方工业部和第三机械工业部改组为专业性的工业部；四是有些业务和工作，过去只是由地方分散管理，而中央并无领导部门或者地方也无专管机构，现在需要设置中央的管理部门以统一管理和加强领导的，如城市建设部和城市服务部。
在1956年2月18日召开的国务院常务会议上，周恩来跟与会人员研究了国务院所属部委调整问题，决定将重工业部分为三个部，将第一、第二机械工业部分为三个部，将城市建设总局扩大为城市建设部，成立城市服务部，将轻工业部、地方工业部、纺织工业部分成四个部。在3月10日召开的国务院常务会议中，周恩来同与会人员进一步研究了国务院所属财经部门机构的调整方案和领导人的配备问题。
并根据会议精神写成《关于调整国务院所属财经各部门组织机构的请示报告（草稿）》，经过国务院常务会议的再次讨论和三次修改后于5月2日正式形成文件报送中共中央。
周恩来对于国务院新设立的综合性职能机构的考虑是：
（1）增设国家经济委员会，主要负责掌管在五年计划和长远计划基础上的年度计划的制订，督促和检查年度计划的执行，负责提出改善国民经济的薄弱环节，组织各工业部门之间的合作，调整中央各部门之间、中央与地方之间的计划和物资平衡。现有的国家计划委员会专管五年计划和长远计划的制定和检查。
（2）增设国家技术委员会，负责掌管新技术的鉴定、采用和推广；组织新产品的试制；统一管理技术标准和审批新工厂的工艺规程；开展国际间的技术交流和技术合作，并且通过各项新技术改造工作，将我国的工业技术水平较快地提高起来。
但是组织国际间技术交流和技术合作的对外谈判工作，仍由对外贸易部负责。
（3）增设物资供应总局，主管全国物资（主要是生产资料）的供应、调度和平衡工作，并且管理国家的物资储备。
周恩来提出的关于调整机构的议案，在1956年5月12日的第一届全国人大常委会第40次会议上得到批准。这次国务院调整和增设的机构及其所负责的工作为：
（1）撤销重工业部。以原重工业各管理总局为基础，分别设立冶金工业部、化学工业部和建筑材料工业部。将现在属于轻工业部管理的橡胶工业和制药工业，划归化学工业部管理。
（2）撤销第三机械工业部。增设电机制造工业部，负责管理电机制造工业。
（3）撤销地方工业部。增设食品工业部。原由地方工业部管理的地方纺织工业划归纺织工业部管理，不属于纺织工业和食品工业的其他轻工业划归轻工业部管理。
（4）增设水产部，统一管理水产的养殖、捕捞、加工和运销等工作。
（5）增设农垦部，管理垦荒移民、国营农场、军垦农场和华南垦殖等工作。
（6）增设森林工业部，管理木材的采伐、加工、运输和林产化学工业等。
（7）撤销城市建设总局，改设城市建设部，管理城市建设的规划和设计、施工以及城市的公用事业。
（8）增设城市服务部，管理城市的房地产和服务性行业的工作。
1956年11月16日，周恩来再次对国务院所属机构进行了微调，经第一届全国人大常委会第51次会议批准，决定撤销国务院所属的农产品采购部，设立第三机械工业部（主管原子科学工业）。将农产品采购工作交由供销合作总社办理。周恩来在提交人大的议案中说明：“为了更好地统一管理农产品的采购工作，交由全国供销合作总社办理，根据我国工业发展的需要的条件，建立设立第三机械工业部，主管原子能工业。”
在调整国务院职能机构，领导国家开展大规模工业建设的同时，周恩来还在考虑设立机构专门负责科技规划和推进我国科技事业发展问题。1956年1月14日至20日，中共中央在北京召开了关于知识分子问题的会议，周恩来代表中共中央作《关于知识分子问题的报告》。周恩来在报告中着重谈到了“向现代化科学进军”的问题，他提议由国家计划委员会负责，会同有关部门制定1956-1967年科学技术发展的远景规划。知识分子会议以后，党和政府就开始了12年科学技术发展远景规划的制定，主要由周恩来领导和主持。国务院就此成立了由中国科学院和国务院有关部委办负责人组成的科学规划十人小组，进行具体的组织工作。1956年2月24日，中共中央政治局会议批准成立了国务院科学规划委员会，决定陈毅任主任，李富春、薄一波、郭沫若、李四光任副主任，张劲夫任秘书长。为此，国务院调集了600多名各个门类和学科的科学家，并请了近百名苏联专家参加规划编制的具体工作。
1956年11月，因陈毅调到外交战线工作，中共中央任命聂荣臻为科学规划委员会主任，在周恩来的直接领导下，于12月编写出了《一九五六——一九六七年科学发展远景规划的纲要（修正草案）》。
在增设机构统一领导全国经济、科技事业的过程中，周恩来也积极筹划国防科技尖端事业的发展。1956年3月14日周恩来主持了中共中央军委会议，讨论航空工业委员会的成立事宜。会议决定：由周恩来、聂荣臻、钱学森筹备组建导弹航空科学研究机构——航空工业委员会。4月11日，周恩来致信毛泽东并中共中央：“为了能够统一地和有计划地领导利用原子能的工作和发展航空工业，拟分别成立原子能委员会和航空工业委员会。”原子能委员会直属国务院，主任陈云，副主任郭沫若、李富春、李四光、宋任穷，秘书长刘杰。航空工业委员会直属国防部，主任聂荣臻，副主任黄克诚、赵尔陆，秘书长安东。12日，周恩来出席中共中央政治局会议。会议讨论并批准周恩来提出的两个委员会领导成员名单。
随着“一五”计划如火如荼地展开和国务院机构的调整，国务院主要领导人也重新划分了工作职责。1956年11月7日、9日，周恩来先后向中共中央政治局提出两个书面报告，前一个报告提议任命聂荣臻、薄一波为国务院副总理。后一个报告提议陈云兼任商业部部长，杨一辰改任城市服务部部长。11月16日，周恩来和陈云主持了国务院第四十次全体会议，会上对总理、副总理的工作重新做了分工：“陈毅管国务院一办、二办。李富春管国家建委、国家计委、六办。薄一波管三办、四办。五办分为两个口子，李先念管财政，陈云管商业。同时，陈云管七办、八办。
周恩来管外交部、侨委。邓小平管民委。”
经过1955年至1956年两年的机构调整，截至1956年底，国务院共设置81个部门，其中部委48个，直属机构24个，办公机构8个，1个秘书厅。此次调整和许多机构的增设，使国务院机构数量达到了新中国成立以来的第一次高峰。
三、1957年至1958年国务院机构的压缩与合并
1956年第一次出现国务院机构膨胀后，周恩来很快就意识到随着管理机构增加、行政人员增多而出现的各项支出加大、行政效率降低的问题。为解决这一问题，1957年至1958年进行了中央行政机构第一次较大规模的压缩、合并与精简。配合1958年后我国开始实施的分权性的行政改革，中央政府把一部分权力下放给地方，同时把中央机关的一批干部也安置到地方上工作。
中央党政机关的精简必然引起人员的精简和分流问题。周恩来及时注意妥善安排、合理使用被精简的干部的问题。1957年11月18日他致信中共中央书记处说：
“为配合国务院及其各直属机构和事业单位进行体制改革、机构精简和工作改进，我们拟在整风的目前阶段，加紧安排人员下放。但是人员下放又必须在统一安排和全面改造的方针下进行，否则就有卸包袱、收摊子使地方难以接受和工作遭受损失的危险。因此，提议在中央书记处领导下成立一个十人小组，专门商讨国务院人员下放的方针和具体部署问题。”
1957年11月29日，周恩来主持了国务院第63次全体会议。会上，就干部下放参加劳动锻炼问题说道：“随着体制下放，中央机构要进行精简，我们即将开始第二个五年计划建设时期，需要将机构搞的精干些，提高工作效率，从反对官僚主义、宗派主义、主观主义、整顿工作、改进作风来说，也要求精简。首先要从干部下放开始，脑力劳动、体力劳动要相结合，下放的中心精神是锻炼，到劳动中去锻炼，到集体中去锻炼。下放第一是去农村，第二是去工厂车间，第三是到基层去做工作。”1958年后我国实行了第一次行政性分权改革，许多原由中央集中管理的企业和事业单位已经或者即将逐步下放给地方管理。国务院所属机构也随之进行了相应调整，主要是对业务相近的部门进行了合并。以期进一步明确分工，统一管理和提高工作效率。1958年2月11日，第一届全国人民代表大会第5次会议通过了《关于调整国务院所属组织机构的议案》。该议案称：1954年10月国务院组成的时候，设立35个部和委员会。以后随着国民经济的发展，适应当时的需要，分别经过人大第二次会议和人大常委会第11、第14、第51次会议决定，做过几次变动，增设了若干财经部门，总共成为48个部和委员会。此时，我国社会主义建设已胜利进入到第二个五年计划时期，国家管理体制已经有所改变，许多原由中央集中管理的企业和事业单位已经或者即将逐步下放给地方管理。为了适应这一新情况和贯彻整风精神，国务院所属组织机构有必要进行适当调整。进一步明确分工，加强统一管理，提高工作效率。
1958年内国务院总理周恩来提请全国人大批准合并的机构是：将国家技术委员会和国务院规划委员会合并为科学技术委员会。一机部、二机部和电机部合并为第一机械工业部；第三机械部改名为第二机械工业部；电力工业部和水利部，合并为水利电力部；建筑材料工业部、建筑工程部和城市建设部合并为建筑工程部；轻工业部和食品工业部合并成为轻工业部；林业部和森林工业部合并为林业部；高等教育部和教育部合并为教育部。
1958年内国务院总理周恩来提请全国人大批准撤销与调整的机构为：撤销国家建设委员会，工作分别交由国家计委、国家经委、和建工部管理（1958年11月23日，第一届全国人大常委会第102次会议又决定设立国家基本建设委员会）；商业部改名为第一商业部，城市服务部改名为第二商业部（1958年9月11日，第一届全国人大常委会第101次会议又决定将第一商业部和第二商业部合并为商业部）；设立对外文化联络委员会，撤销对外文化联络局；将国家计量局改为国家技术委员会的会属局；将物资供应总局改为国家经济委员会的会属局；将中央手工业管理局改为轻工业部的部属局；将中国民用航空局改为交通部的部属局。