1964年8月，北部灣事件爆發，越南戰爭從特種戰爭升級為區域性戰爭。隨後，美軍出動兩個營的海軍陸戰隊在峴港登陸，空軍也出動數百架戰機轟炸越南北方，戰火一度燒到中越邊境。
1960年代初，中蘇關係逐漸惡化，雙方多次發生邊境爭端，蘇聯一度揚言對中國發動核打擊。面對蘇聯在中蘇邊境陳兵百萬的軍事壓力，中國啟動了廣泛的備戰活動。
1962年，中印邊境戰爭爆發，儘管中國取得了勝利，但是印度在美國和蘇聯的支援下，並不服氣，中印邊境的緊張形勢並沒有得到緩解。
此時，我國一度面臨險惡的周邊環境，在東南、北方和西部都存在戰爭的威脅。而全國人口、工業又過於集中在東部沿海地區，容易遭到超級大國的空襲破壞。
整個東北重工業區處於蘇聯轟炸機和導彈的攻擊範圍，華東的工業區又暴露在美國航空母艦的打擊範圍內，一旦戰爭爆發，整個國民經濟將陷入癱瘓，後果不堪設想。而西南、西北等內陸地區工業基礎薄弱，交通條件落後，整體工業佈局存在明顯的“東重西輕”。
根據對蘇聯衛國戰爭經驗教訓的總結，毛主席認為：“如果爆發戰爭，沒有強大的後方工業基地是不可想象的。”
“三線建設”就是希望改變這個局面，以備戰備荒為目的，把東南沿海的能源、航空、兵器等工業遷移到西南、西北地區，再建立一個相對獨立、完整的工業體系。原來在鄧小平的主持下制定的第3個“五年計劃”，也把工作重點從“解決人民吃穿用”轉移到三線建設上。
1965年，“西南三線建設委員會”成立。鄧小平在會議上專門強調：“從國防戰略佈局上考慮，要把國家的投資用到三線兵工建設上，用到研究導彈、原子彈上，還要做好超級大國使用原子彈把我們的沿海地區打爛的準備。”
作為國家總體戰略工程，三線建設主要集中於軍工業和重工業，貫穿整個三五計劃，最終經歷了3個五年計劃。
三線建設啟動後，鄧小平多次前往西北、西南考察三線建設部署，在重慶、攀枝花、昆明、蘭州等地都留下了足跡，深度參與了三線建設的規劃。
西南三省和西北四省是三線建設的主要範圍，但主要的大型專案還是位於秦嶺以南、青海西寧以南地區。其中鋼鐵工業以攀枝花和酒泉為兩個鋼鐵基地，煤炭工業以貴州六盤水為煤炭工業基地；成都為輕工業、電子工業和航空業基地，綿陽、廣元為核工業和電子工業基地；重慶為兵器工業基地，包括涪陵的816核工廠；貴陽則建設光電工業和一部分飛機工業。
成昆鐵路是三線建設的中心。成昆鐵路沿線輻射範圍廣袤，包括四川、雲南的7個城市、50餘個縣。鐵路支線和公路四通八達，企業星羅棋佈，形成了以攀枝花為中心的大西南經濟佈局。
據不完全統計，從1964年到1980年，中國在三線建設的中西部地區投入了人民幣2000億元，建設了1000多個工礦企業、基礎設施和科研機構。幾百萬工人、士兵、幹部和知識分子，建成了成昆鐵路、攀枝花鋼鐵基地、六盤水煤炭基地等大型專案，使一批沒有工業基礎的西部城市實現了工業化。
在加緊備戰的要求下，三線建設規模過大，超過了當時國家的承受能力。部分專案資金、裝置、原料難以到位，被迫多次中途停工停建，工期越來越長，造成了極大的浪費。而過於分散的佈局，也給管理和效率上帶來很多困難。一些新建專案沒有經過嚴格、充分的論證勘察就倉促上馬，耗費了大量人力物力。
例如陝西漢中飛機工業基地，下屬20多個單位分散在7個縣，光是運輸零部件就需要汽車往返幾十甚至上百公里，而且員工上下班也非常不便。位於重慶涪陵山區的川東造船廠，原本投產後負責製造常規動力潛艇。但潛艇下水後無法在長江下潛，需要由拖船拖到2000多公里外的長江入海口才能下潛，對武器驗證極為不利。
進入1980年代後，與60、70年代相比，中國面臨的國際形勢已經大為好轉。中美兩國正式建交，中國南方和沿海不再有大的戰爭威脅。1982年，蘇聯領導人勃列日涅夫發表“塔什干講話”，被認為是改善對華關係的訊號。戈爾巴喬夫上臺後，蘇聯在全世界範圍內戰略收縮，中蘇關係逐漸緩和。
作為三線建設的重要決策者和規劃者，鄧小平開始重新考慮三線建設的問題。他認為：“三線建設的決策是根據世界大戰不可避免的觀點出發的。而現在看來，在一段較長時間內不發生世界大戰是完全有可能的。”
1984年，隨著百萬大裁軍決策的公佈，三線建設在國家戰略上也成為了一個歷史名詞。鄧小平叫停三線建設，並非對三線建設完全否定。而是要求三線企業服從國民經濟建設大局，進行關、停、並、轉、遷的多種調整。
比如重慶嘉陵機器廠，原來是製造坦克等軍用車輛，轉型為摩托車生產商。綿陽的一家軍用電子元件廠，從軍品改為生產電視機，發展成為後來的長虹集團。
儘管存在這樣那樣的不足，但是三線建設決策和取得的成就是值得肯定的。從軍事角度來看，三線建設發揮了預期的效果。在外部超級大國的核威脅下，把軍工產業分散到大西南的崇山峻嶺，使任何企圖核訛詐的國家都必須三思而行，因為無法在第一波核打擊中就全部摧毀中國的軍工能力。
三線建設本身也是國民經濟發展的一部分，不僅改變了西部地區落後的面貌，還有效的縮小了東西部差距。西南三省被高山峽谷、大江大河與世隔絕的地區，也開始步入工業化時代，發生了翻天覆地的變化。三線建設時期積累的工業設施和基礎設施，也為後來的西部大開發打下了基礎。
