中唯一一名中共中央委员会成员。1956年，在中共八大上再次当选为中共候补中央委员。1958年5月，兼任国防部第五部部长，负责研究特种武器装备。9月起，任中国科协副主席。1959年4月，任中国人民解放军国防科学技术委员会副主任。同时，万毅还是第一、二届国防委员会委员。1959年万毅在庐山会议期间，因于7月22日发言支持彭德怀的意见书而受株连，被撤销职务。1960年4月下放陕西工作，同月起任陕西省基本建设委员会副主任。1960年11月至1966年3月任陕西省林业厅副厅长。1966年3月起任陕西省农林厅副厅长