1965年，中央军委国防工业办经多方勘察筛选，确定汉中为国家“三线”建设的重点地区之一。1965年3月21日，毛泽东主席和中央政治局常委批准了《国防工业在二、三线地区新建项目布局方案的报告》。从此，全国的“三线”建设全面启动，汉中的“三线”建设正式开始。

1964～1975年，在汉中先后建成了阳安铁路、周城公路，改建了西万公路，以及国防军工、科研、航空工业、核工业、机械工业、冶金工业、化工工业、建材工业、电力工业等比较齐全完整的工业体系。到1970年，全地区基本建设投资增加到20亿，占陕西省基建总投资的50％，共安排项目62个。建成中、省84个项目，其中大中型项目62个（不含地方工业项目）。完成总投资53．1亿元。

主要项目有：

阳安铁路建设。1969年10月始建，西起宝成铁路的阳平关车站，自西而东经宁强、勉县、汉中市、城固、洋县、西乡至安康，与襄渝铁路相联，全长358公里，总投资11亿元，跨越嘉陵江、汉江共计27条江河。1971年10月建成通车营运，1978年9月全线实现了电气化。

公路建设。周（至）城（固）公路（108国道部分路段）北起周至县城，越秦岭，经佛坪、洋县至城固县城南与汉（中）白（河）公路相接，全长257公里，汉中境内长160．4公里。1966年初周城公路被列入国防公路，1969年11月动工，1971年6月基本竣工。西（安）万（源）公路（210国道部分路段）。1966年改建，汉中境内由西乡县经镇巴县至四川省万源县，全长165公里。

电力工业。1968年2月，水电部筹建“略阳火电厂”，1972年2月建成投产。总投资1．1亿元，生产规模为20万千瓦，建筑面积10万平方米，保障了汉中“三线”建设和工农业生产、社会生活用电。

航空工业（012基地）。汉中航空工业基地，是国家航空工业部（原第三机械工业部）的第二套航空工业基地，又是国家唯一的生产大型运输机基地。1964年10月开始筹建，1965年10月，国防工办、航空工业部下文通知，汉中为“歼击机”生产基地。1969年11月，中央军委国防工办决定汉中为“大型运输机”（运－8）生产基地，并列为国家第四个“五年计划”的重点建设项目。至1979年，形成了大型运输机生产能力，基地建设初具规模。基地所属的22个厂和企事业单位，分布于汉中市、城固县、南郑县、勉县、洋县、西乡县、宁强县。1975年12月，基地累计完成投资11亿元。1975年12月29日，我国第一架自行设计、独立生产的大型运输机在汉中诞生。1980年，运－8飞机投入批量生产。1985年，运－8运输机荣获国家科学技术进步一等奖。

军事工业。总字791部队隶属于中国人民解放军总参谋部。1964年8月始建，1965年10月“甲区”竣工投入使用。1971年10月地面工程的“甲、乙、丙区”全部竣工，洞体工程因故停建。中国人民解放军第二炮兵部队建设工程，1969年8月始建，1974年11月竣工投入使用。

核工业。核工业部（第二机械工业部），1969年5月始建，内迁5个项目，即405厂、813厂及所属的地质勘探214队、21建设公司、23安装公司。405厂（对外称胜利机械厂），1969年10月始建，总投资12亿元，修建有直通厂区的专用公路和专用铁路线一条（12公里），1974年建成投产。813厂（对外称向阳机械厂），1969年10月始建，总投资6亿元，修建有直通厂区的专用公路，在汉中褒河火车站修建有专用铁路货场。

国防科研。国防科委第十研究院（对外称809部队），1968年5月始建，1972年10月竣工投入使用，主要从事“低温、超导”科研生产。基建总投资为3500万元，建筑面积6万平方米。国防科委第十五研究院（对外称825部队），1968年1月始建，总投资1．1亿元，总建筑面积10万平方米，建成由厂区至主干线公路15公里、1万平方米的生活用房和施工电源，1977年离汉迁天津。

北京大学汉中分校。北京大学汉中分校（对外称“653工地”），1966年5月筹建，1972年10月竣工投入使用，总投资2000万元。学校设有无线电系、雷达系、物理系（包括核反应堆）、力学系。1977年5月迁回母校北大。

机械工业。国家第一机械工业部（对外单称65号信箱），在汉中筹建8个项目：汉江机床厂（1965年4月建）、汉川机床厂（1965年10月建）、汉江工具厂（1968年初兴建）、汉江铸锻件厂（1970年3月建）、海红轴承厂（1966年由哈尔滨迁来）、汉中配件厂（1966年5月由河南洛阳迁来）、汉江职工医院（1971年8月建）、陕西省机械工人技术学校（1972年10月由咸阳迁来）。

冶金工业。汉江钢铁厂，1969年8月建，总投资2．6亿元（不含铁路专用线和矿山部分的建设），总建筑面积58万平方米，生产规模年产钢350万吨。矿石贮量2．5亿吨，品位32％。1975年移交省直管，规模相应缩小。略阳钢铁厂，1969的10月始建，1972年10月竣工投产，总投资7500万元，年产铁15万吨，钢10万吨，钢材8万吨，总建筑面积12万平方米。八一铜矿（陕西铜矿），1967年4月始建，1970年10月竣工投产，总投资2000万元，日产原矿石5000吨，年产粗铜矿粉2600吨，净铜矿粉2100吨，矿石品位为2．6％，总贮净铜5万吨。1978年移交省冶金厅直管。陕南石棉矿，1969年8月始建，1977年底移交省管。

在“三线”期间建成的工业企业还有：汉中地区铁钢厂、地区镇巴煤矿、地区磷肥厂、地区城固肉联厂、汉江制药厂、汉中血浆厂、新汉玛钢厂、城固烟厂、地区商校、汉中手表厂、汉中灯泡厂、汉中玻璃厂、汉中丝绸厂、汉中型砂厂、汉中水泥制品厂，汉中、城固、勉县、洋县、西乡均建起氮肥厂，全地区建有15个砖瓦厂、石灰厂等。

在“三线”建设期间厂矿共为地方造田1．5万亩。建成了石门水库、洋县湑水河水库、南郑县华山沟水库、城固县千山水库、勉县红卫水库等等，在“三线”建设期间全地区共建成中小型水库320座。