1964年5 月26日，中科院决定将西北计算技术研究所兰州计算室并入兰州地质研究所，1965年3月6日，经国家科委批准，中科院决定以陕西分院化学所为基础，与北京化学所盐湖课题组、兰州地质所地球化学室及西北高原生物所相关部分合并，在西宁成立中科院盐湖研究所；4月13日，国家科委决定将中科院地理所沙漠室迁到兰州，与地理所冰川冻土室合并成立中科院兰州冰川冻土沙漠研究所（8月2日正式挂牌成立）。1965年9月，西北局批转中科院西北分院党组《关于建立政治工作机构的请示报告》，同意在西北分院所属各研究单位建立政治工作机构，决定西北分院建立党委，书记时逸之、副书记陈舜瑶、黄华青，陈舜瑶兼任政治部主任。同时，在兰州设立了西北分院兰州公用事业管理处，管理驻兰单位的公共事务。当时，在兰州的院属单位有：中科院近代物理研究所、兰州化学物理研究所、兰州物理研究所、兰州地质研究所、兰州地球物理研究所、兰州冰川冻土沙漠研究所和西北分院图书馆，西宁有西北高原生物研究所、盐湖研究所。
　　这一时期，西北分院的主要任务是领导、监督、协调、组织中科院在西北地区的科学研究单位，正确的执行党的路线、方针、政策；组织院属各研究所的科技力量，保证科研计划的顺利进行，同时筹建新的科研技术机构。这个时期是西北科技事业发展较快的时期，尽管受到“大跃进”和经济困难的影响，但通过贯彻党的“八字”方针，各所的方向任务和科技队伍都已趋于稳定，科研成果不断涌现出来。到“文化革命”前，中国科学院在西北各省（区）建立了近20个科研机构，科技人员和职工达5000多人，取得了几十项科研成果，给西北科技事业的发展奠定了坚实的基础。
　　2、“文革”浩劫时期（1966年5月—1976年10月）：　　　
　　1965年6月，西北分院在兰州召开中科院驻兰各所负责人会议，商定并撤消西北分院兰州公用事业管理处。1966年9月29日国家科委、国家建委批准中科院盐湖研究所与化工部盐湖化工综合利用研究所合并定名为中科院盐湖研究所。1968年中科院兰州物理研究所划归国防科委五院，后又划归七机部，现为航天科技集团公司五院510所。1968年2月10日中央军委命令中科院兰州化物所由国防科委接管，划归中国人民解放军第十一研究院，所名为中国人民解放军1116研究所，代号为兰字819部队。1970年4月28日，中科院决定将兰州地球物理研究所和兰州地质研究所划归国家地震局，成立兰州地震大队；5 月15日经国务院、中央军委批准，1116研究所交还中科院，所名为中科院甘肃省化学物理研究所，实行以地方为主的双重领导体制；7 月15日，中科院通知盐湖所改名为中科院青海盐湖研究所，西北高原生物研究所改名为中科院青海生物研究所，均实行以地方为主的双重领导体制。同年3月，兰州分院子弟中学成立。1973年3月，根据周总理批示的（73）科字第003号文件，近代物理研究所重归中国科学院。1973年从兰州地震大队分出气象连组建了中科院兰州高原大气物理研究所。1975年从兰州地震大队分出石油室和中心分析室的一部分，组建了甘肃省石油地质所，隶属甘肃省燃化局领导。
　　“文化大革命”的十年浩劫，使本已发展势头很好的西北科技事业，受到了前所未有的冲击和破坏。随着“文革”的深入，科研工作程序被打乱，科技人员尤其是一些科研骨干和学科带头人，受到严重打击和迫害，致使科研工作无法正常进行。加之，1970年7月15日，中国科学院西北分院被撤销，一个初具规模的西北科研基地从此四分五裂。