在1964年12月下旬第三次全国人民代表大会期间，赵九章将有自己署名的一封亲笔函件（报告）直接呈送给主持中央专委工作的周恩来总理，建议国家正式立项开展人造卫星研制工作。报告得到了党中央的重视。周总理立即批转聂荣副总理组织有关人员研究论证。随后，国防科委副主任罗瞬初召集赵九章、钱学森、钱骥等对发射卫星的目的、意义和任务，方案设想，条件和困难进行商讨。1965年4月29日，国防科工委提出1970年至1971年发射我国第一颗人造地球卫星的报告，明确了卫星本体由中国科学院负责研制，运载火箭由七机部负责研制。1965年5月中央专委第十二次会议批准了国防科委的报告。1965年中央专委第十三次会议批准了中科院《关于发展我国人造卫星的工作规划方案建议》。1965年10月召开的我国第一颗人造卫星规划方案论证会上，赵九章作为卫星科学技术的总负责人，在会上做了主要的论证报告。会议肯定了“东方红1号”卫星命名、主要技术指标、外形结构（直径为一米的近球形72面体）、播放《东方红》乐曲，并确定于1970年发射。

这次会议在深入细致的论证的基础上，产生了总体方案、本体方案、运载工具方案和地面观测系统方案等4份文件，还组织编写了27份专题材料，共15万字左右。这些方案和专题材料比较系统的阐述了发射人造卫星的复杂技术，提出了一批关键性技术问题及解决方法，说明了有利条件和主要困难以及一些薄弱环节。在40多天的会议期间，赵先生吃住在宾馆，白天参加大会、小组会，晚上和钱骥等一起整理会上提出的技术问题，计算有关数据，有时还要和王大珩、陈芳允等交换看法，连续紧张的工作使赵九章常感心绞疼，但他吃点药缓解一下，又继续坚持工作。

会后不久，中科院卫星设计院于1966年成立，赵九章担任院长，钱骥为技术负责人。在赵九章的主持下，“东方红1号”卫星正式研究设计工作全面展开；拟定各分系统的设计指标，提出和落实500项专题研究课题、组织和协调分系统的设计和研制、卫星跟踪和定位研究、卫星本体研制、环境模拟设备研制等。

卫星入轨后长期跟踪测轨采用什么技术，这在方案论证会议上是争论最大的问题。大家认为采用美国的比相干涉仪系统，技术较成熟，但建站要求高，投资大。赵九章根据我国当时的情况，果断地采用由周炜先生建议的多普勒系统。这是国外当时刚采用的新方法，其特点是机动灵活，投资少。为了强化对卫星测轨跟踪的可靠性，1966年初，赵九章组织“651”设计院总体设计组与紫金山天文台和数学所进行联合研究，解决了初轨定轨方法、建立了计算公式，由计算机给出随机误差的模拟跟踪数据，再做轨道改进，在赵九章的精心策划下，很快摸清了跟踪测轨仪器精度和测轨预报精度的对应关系。从而为制定全国布站和入轨点布站的最佳方案提供了理论根据，事后证明，这种跟踪测轨方案收到了很好的效果。

在1966年5月19日召开的卫星系列论证会上，赵九章报告了《对我国卫星系列规划的设想》，该报告的主要内容是：以科学试验卫星打基础，以侦察卫星为重点，全面发展军事应用卫星（如电子侦察、通信、气象、核爆炸侦察、导弹预警、测地、导航等卫星）；发展载人飞船；卫星的防御措施。后来，亲身参与我国卫星研制工作的王大珩院士多次在会议上说：“当年赵九章主持制定的我国第一颗卫星的研制方案计划和卫星系列规划设想既符合科学又切合实际，以后相当一段时期我们基本上是按照当初的计划设想进行的。”

但是，正当赵九章带领科技人员全力以赴投入卫星研制试验工作， “东方一号”卫星有望提前上天的时候，一场史无前例的大灾难降临了，1966~1967年，赵九章被当作反动学术权威批斗，但没有停止他的工作。而1968年“清队”开始后，又给他扣上了“判徒”、“特务”的大帽子。很明显，具有很强机密的卫星研制工作不能让他再主持了，即使这样，赵九章仍很关心卫星的研制进度情况。甚至在路上或上厕所时，遇到他的学生时都要谈到卫星研制问题。