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1965年开春，时年37岁的陈祖涛受命内赴三线，筹建第二汽车厂。在过去的十年里，他已经成长为一个顶级的汽车专家。在他的主持下，长春一汽先后独立设计制造出了红旗牌轿车、民用越野车和军用大型载重越野车，他还被秘密派到古巴——在1959年，共产党人菲德尔·卡斯特罗通过武装起义夺取了政权——帮助这个新诞生的社会主义兄弟建成了一个汽车配件工厂。
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规划中的第二汽车厂设计年产能力是10万辆，其生产规模在当时名列世界第三位。陈祖涛日后回忆了选址的经过：
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当时中央对三线工厂的布局要求是“靠山、分散、隐蔽”六字方针。根据这一原则，陈祖涛圈定了湖北、湖南、陕西、贵州、四川等5个省。他们先是在湖南湘西武陵山区的宸溪、芦溪、沅陵踏勘，那里山高洞多，盛产土匪，解放之初那里是解放军剿匪最艰难的地方。陈祖涛专门到那些洞里去看，那个地方用做土匪藏身可以，但建设现代化的汽车厂就不具备条件了。他在四川綦江齿轮厂看到，从国外进口的精密设备在“山、散、洞”的要求下，被放在大山洞里。结果因为空气湿度太大，设备生锈，造成了很大的损失。第一轮勘察结束后，陈祖涛反对工厂进洞。汽车厂是机械加工型企业，设备成千上万，再大的洞也放不了，况且潮湿问题也解决不了。
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二汽选厂址（左一为陈祖涛，中间为饶斌）
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陈祖涛一行又从成都到重庆，再到贵阳，尽在大山里转圈子。这期间，他们得知国家将修建从湖北襄樊到四川重庆的襄渝铁路，于是，就确定在湖北西北部的山区选址，大致从湖北的襄樊沿汉水向西一直进入巍峨的武当山，再向西进入秦岭地区。这一路踏勘，陈祖涛看中了湖北郧阳一带。它背靠大山，紧邻即将修建的襄渝铁路；滚滚汉水从身边流过，可以提供丰富的水源，足以保证生产和生活；襄郧公路从襄樊大平原往西，一直通向郧阳的大山深处，交通方便。于是，初步意向就在这里了。
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紧接着，陈祖涛在鄂西北和陕西南两地踏勘了20多个县，访问了80多个部门和单位，搜集了道路、地形地质、气象灾异、水电、工农业等多方面的大量资料，经过综合分析，将厂址初步定在郧阳山区一个有近百户居民叫十堰的小镇。
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晚年的陈祖涛反思说，在大山区建设现代化的汽车企业究竟是否科学，建在山里，敌人是否就打不着，这是值得探讨的问题。现代化的特大型企业，对水、电、交通有很大的依赖，人是社会动物，几十万人要生活，吃、喝、拉、撒、睡，生、老、病、死，购物、娱乐、上学、看病等最基本的需求必须满足，但在一穷二白的大山区这些都没有。过去强调“先生产、后生活”，但在人的最低生活需求都不能满足的情况下，他生产的热情又能持续多久呢？等我们认识到必须满足人的生活需求才能使其保持工作热情时，除建工厂外，我们又花大力气来建社会——建学校（从小学到大学）、建商场、建医院、建公园、修马路，甚至火葬场，结果我们还是违背了当年进山的初衷——远离城市，我们建了一座城市。
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当然，陈祖涛的这些思考，已是事后之议。
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厂址确定后，就是人员的内迁。长春第一汽车厂将三级以上的工人和全部技术干部分成三份，由二汽来挑一份。陈祖涛一口气就挑出了2000多人。1966年10月，中共湖北省委决定成立二汽临时党委，对外称是“国营东风机械厂”。11月，二汽的设备修造厂率先开始动工。
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二汽首先要生产的是2.5吨的军用越野车，这是拖大炮的车，要保证打仗的需要。二汽的建设目标是10万辆，其中军用车就有4.5万辆，2.5吨的越野车2.5万辆，3.5吨的越野车2万辆。这个军车生产规模，在全世界的汽车厂中都是没有先例的。其余的5.5万辆是5吨的民用车。
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留学时候的陈祖涛
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陈祖涛说，这种建设目标在今天看，绝对是错误的，姑且不谈国内能否消化得了这么多军车，就是从经济效益上看，也是非常不合算的。按当时的价格，一辆2.5吨的车就要一二十万，要知道，军车的设计、建造和选材都和民用车不同，成本很高，是不赚钱的。我们能年年掏大把的银子去补这个大窟窿吗？我们的财政本来就是吃饭财政啊！二汽建成后，首先投产的是2.5吨的生产线，结果军队没有钱买，每年只能买1500～2000辆，这种产能闲置的代价就是浪费国家大量的钱……
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陈祖涛继而总结说：要知道，我们建在三线的很多军工厂都陷入了这个怪圈。当时是一切为了战备，一切服从战备，一切让位于战备，再多的钱也花，再难的事也干，再大的苦也吃，但就是不讲科学。飞机厂搞三套，坦克厂搞三套，潜艇厂搞三套，深山老林里，到处挖洞。我去看过很多厂，崇山峻岭的大山洞里，新建的厂房，崭新的机器设备，就是产品没人要，最后陷入绝境。这不是一两个企业，而是成百上千，国家投资几千亿，其结果最终还是国家损失，工人兄弟们吃苦啊！一家两代甚至三代都窝在山沟里，真是贡献了青春献子孙。所以，我认为，当时提出的“军民结合以军为主”的方针是建立在对形势的错误判断的基础上的，是错误的，已经成为历史的教训。
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话说1978年，中国和美国通用汽车公司讨论合作发展重型车，陈祖涛陪同美方代表来到此前从未对外国人开放的十堰市。在参观了漂亮的车城后，美国人称赞十堰是“中国的底特律”。但美方代表爱德华兹最后提了一个问题：“陈先生，我不理解，你们为什么要在这么一个大山沟里建一个世界级的大厂呢？”
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成昆铁路
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陈祖涛日后回忆他当时的心情：“技术上的问题难不倒我，但这个问题我有点犹豫……其实，我们在二汽的建设上是走了大弯路，交了大学费的，这是他们美国人所无法理解的。”
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二汽的建设经过，展现了三线项目的基本特征。对这一重大工业大转移的历史评价，是一个十分复杂的命题，或许它永远不会有共识。
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三线的建设成果是十分显著的。
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在铁路建设方面——从1964年8月到1980年，共建成了成昆铁路、湘黔铁路、焦柳铁路、襄渝铁路、川黔铁路、贵昆铁路，它们把整个西北、西南地区连成了一片，还使西南地区与华中地区、西北地区和华北华中华南地区的交通网络连为一体。同时还配合铁路建设，建成许多公路网络，从根本上改变了我国西部地区交通运输落后的状况，为西部地区的矿产开发、产品流转、工业建设、国防建设创造了交通条件。
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在国防工业方面——在重庆地区建成了常规兵器工业生产基地，在四川和贵州建成了电子工业生产基地，在四川和陕西建成了战略武器科研、生产基地，在贵州和陕西、鄂西地区建成了航空和航天工业生产基地，在长江上、中游地区建成了船舶工业科研、生产基地，在西昌建成了卫星试验、发射中心。通过三线建设，将东北、华北地区老军事工业企业的一部分搬迁到西部地区建新厂，基本上达到了将重要军工企业“一分为二”的目的。较高水平的核工业科研生产系统几乎全部放在西部地区。
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原材料、能源工业方面——在西部地区形成了大中小相结合的原材料工业体系，建成了攀枝花钢铁基地、重庆钢铁基地、成都地区钢铁工厂、贵州水城钢铁厂等大型企业，新建了西北铜加工厂、兰州连城铝厂、兰州铝厂、冥河铝镁冶炼加工厂、西北铝加工厂和重庆西南铝加工厂。为了与国防工业配套，还建设了重水、炸药、树脂、橡胶、医药企业，建成了西南炼焦煤基地、西北煤炭基地、平顶山、焦作、鹤壁等矿区，新建10万千瓦以上电站68座。