1965年1月13日，蒋介石正式颁布命令，特任蒋经国为“国防部长”。至此，蒋经国方才名符其实地掌握台湾的军权。虽然台湾的“国防组织法”规定，军队的统帅权由“参谋总长”和“国防部长”分享，然而在国民党政权的任何机构，官职的权限大小，均因人而异。如同长期以“副”代“正”一样，蒋经国出任“国防部长”后，“参谋总长”就逐渐成为他的幕僚。
　　1965年3月8日，蒋经国在主持“国防部”会议时提出其施政理念：（一）构成严密坚固的台澎金马防线；（二）要准备一股强大的、机动的打击兵力；（三）加强有力量、有权威的政治作战与情报作战系统；（四）巩固台湾省兵员动员的基础；（五）扩充自己的兵工厂建设；（六）从事原子能的研发；（七）扩展对大陆及在大陆的抗暴运动；（八）改善军人生活；（九）培养革命实践军风，提高军事行动的功效。
　　蒋经国任“国防部长”期间，深入基层，事必躬亲，把军事战备工作搞得热火朝天，一方面积极在军中宣传“反攻大陆”，另一方面加强对大陆进行偷渡、空降、派遣和侦察飞行等活动，收集大陆情报。在他出任“国防部长”的第一年，派出的偷渡特务就达18批42人次，各种特务飞机对大陆的飞行达45批50架次。
　　“文化大革命”开始后，蒋经国密切关注大陆的政治、社会情势，他认为“现在这个时期，国内外整个世界局势，都有了很大的变化；可以说，这是我们十八年以来，最重要的关头”，也是“反动大陆”的最佳时机。1967年，他曾准备利用“文化大革命”造成的混乱局势，以特种兵、空降兵为主袭击大陆。蒋经国制订的有关方案叫“王师”计划。根据1967年初提出的《王师一号计划》，国民党军队将对闽浙粤三省沿海地区和闽粤交界处实施“加强军”空降，两栖登陆作战、3个空降营和1个炮兵营、1个空军战斗机联队和1个运输机联队，外加所需的海军运输、巡航舰只。《王师二号计划》则是准备用30架C119运输机运送1个空降营和2个特种作战大队偷袭大陆。《王师三号计划》准备空降1个连和1个特种作战大队偷袭大陆。但由于美国的反对，蒋经国的“王师”计划最终未能付诸实施。
　　在出任“国防部长”期间，蒋经国还负责秘密研制原子弹。1964年，大陆的原子弹、“东风二型”导弹研制成功后，蒋介石深恐台湾遭受大陆的核武器攻击，他除了在官邸与行馆修筑钢骨结构及配备厚钢门的防核防空洞，在军队中不断进行防止核生化攻击的战术操演外，还决心启动原子弹研制计划，与大陆展开竞赛。1965年4月，蒋介石指示时任“国防部”部长的蒋经国成立“石门科学研究院筹备处”。7月1日，筹备处从台北市区搬到“石门营区”，全称也改为“中山科学研究院筹备处”，正式展开原子弹研制计划。蒋经国前后主持筹备处工作汇报19次，是原子弹研制计划的实际负责人。
　　在筹备期间，蒋介石企图邀请吴大猷指导原子弹的研制，并将发展原子弹的内部文件交给了吴大猷审核。然而，出乎蒋介石意料之外，吴大猷却认为台湾腹地狭小，在战略上不利于从事核子战争，因而强烈反对台湾发展核武器。蒋介石接到吴大猷的反对意见后非常生气，他在日记中说：留美科学家如吴大猷者，自由不羁，只知自己个人威望，而不知国家利害，亦不审政情艰巨与国际环境，殊为可叹。此种成事不足，败事有余之学者，建设工作尚未开始而先被破坏，殊为可痛，奈何之何哉。
　　昨日上午，以吴大猷发表政策性之科学十年建设之经费数字，且对国防科学之经费特别提出，此为泄露国家机密，且擅自发表国家政策，以引起“匪共”与国际之惊忌，不胜忧闷。下午，见静波、少谷、经国，商讨如何减轻吴言乱语之分量与国际之疑忌，并取消下午约吴之茶会，对吴作不严之教，未知果能使之觉警。
　　尽管遭到吴大猷的反对，蒋经国仍继续推行原子弹研制计划。1969年7月1日，“中山科学研究院”正式成立，设四个研究所：第一研究所主要负责研制原子弹；第二研究所研发火箭；第三研究所研究电子；第四研究所研发军用化学。此外，还设置了计划、设施供应、行政、主计等四个后勤支持组。然而，随着中美关系的改善，美国政府逐步调整原先暗助与放任台湾发展核武的政策，在美国的干预下，台湾发展核武的计划最终夭折。
　　1968年至1969年，蒋经国曾以“国防部长”的身份向美方多次提出购买美国的FH.e型战机，以确保台湾空军的优势。然而，尼克松上台后，积极谋求与大陆改善关系，坚决反对蒋介石的军事反攻计划，拒绝将新型飞机卖给台湾。为此，蒋介石曾令蒋经国多次与美方交涉，却毫无结果。蒋介石先后在日记中记载了此事，他说：与经儿谈FH.e型机，对美使谈贷款购买。试谈结果，知美似不愿以此长程战机供我，盖恐我用此反攻大陆也，可鄙。
　　对美本已绝望，何必因此次FH案几遭此无端耻辱，越想越愤，故近夜连续失眠。受此痛苦，此为平生各种失败之中皆光明正大，无愧于心，而惟此次之耻辱失败之甚，故心不自安也。
　　没有美国的大力支持，“军事反攻”是毫无希望的。为此，蒋介石和蒋经国逐渐放弃了“军事反攻”计划，而是提出了“七分政治，三分军事”的反攻原则。他在1969年2月的演讲中说：“总统”的军事思想是七分政治，三分军事。现在很多人不了解这个道理，以为我们六十万常备军进攻大陆，如何攻得下，我们要明了今天大陆局势的发展，只有两个可能性：第一，大陆反毛反共势力已经同我们取得联系，一齐起来行动；第二，我们“国军”无论从海峡或者西南方或者从北方进攻，只要踏上大陆，大陆就开始革命，所以七分政治、三分军事的重要性在这里。我们“反攻大陆”一定要采取七分政治、三分军事的办法。
　　蒋介石在日记中表示：“大陆光复问题，如其内部不能有军事反攻之变化，或其与俄共不发生军事战争，则我原定军事反攻，以光复大陆之方针应作重新考虑，以弹性之方针为要，总以保存中华民国之国防与三民主义之实施为原则，至于用政治或军事之解决则是手段而已。”
　　尽管“反攻”无望，但蒋经国出任“国防部长”期间，对国民党军队的建设还是起了不少作用。对此，蒋介石曾称赞道：“数年来对于军事基本建设之政策，已有从做起之口号，而由国防部如计进行，逐条实施，已见成效”，“建军制度自经国接长国防部以后，五年以来，大体在内容上皆较过去进步而充实，故基础已臻于稳定。”1970年4月13日为蒋经国62岁生日，蒋介石在日记中记载道：回忆1968、1969年之间，经儿任“国防长”时，军事建设乃自来台所最大进步之时期，期间以部队整编，自六十余万官兵之数减至五十四万之名额，而且其裁减者均作有计划之安置，并未有任何不利事件之发生，此为其对国家最大贡献之一。今日为其六十二岁，特记之。
　　可见，蒋介石对蒋经国在“国防部”时期的成就还是非常满意的。而蒋经国在“国防部”正、副部长的五年时间里，已完全控制了国民党军权，这就为其权力交接奠定了坚实基础。
　　（据《蒋经国传》）