陳祖濤一行又從成都到重慶，再到貴陽，盡在大山裡轉圈子。這期間，他們得知國家將修建從湖北襄樊到四川重慶的襄渝鐵路，於是，就確定在湖北西北部的山區選址，大致從湖北的襄樊沿漢水向西一直進入巍峨的武當山，再向西進入秦嶺地區。這一路踏勘，陳祖濤看中了湖北鄖陽一帶。它背靠大山，緊鄰即將修建的襄渝鐵路；滾滾漢水從身邊流過，可以提供豐富的水源，足以保證生產和生活；襄鄖公路從襄樊大平原往西，一直通向鄖陽的大山深處，交通方便。於是，初步意向就在這裡了。
緊接著，陳祖濤在鄂西北和陝西南兩地踏勘了20多個縣，訪問了80多個部門和單位，搜集了道路、地形地質、氣象災異、水電、工農業等多方面的大量資料，經過綜合分析，將廠址初步定在鄖陽山區一個有近百戶居民叫十堰的小鎮。
晚年的陳祖濤反思說，在大山區建設現代化的汽車企業究竟是否科學，建在山裡，敵人是否就打不著，這是值得探討的問題。現代化的特大型企業，對水、電、交通有很大的依賴，人是社會動物，幾十萬人要生活，吃、喝、拉、撒、睡，生、老、病、死，購物、娛樂、上學、看病等最基本的需求必須滿足，但在一窮二白的大山區這些都沒有。過去強調「先生產、後生活」，但在人的最低生活需求都不能滿足的情況下，他生產的熱情又能持續多久呢？等我們認識到必須滿足人的生活需求才能使其保持工作熱情時，除建工廠外，我們又花大力氣來建社會——建學校（從小學到大學）、建商場、建醫院、建公園、修馬路，甚至火葬場，結果我們還是違背了當年進山的初衷——遠離城市，我們建了一座城市。
當然，陳祖濤的這些思考，已是事後之議。
廠址確定後，就是人員的內遷。長春第一汽車廠將三級以上的工人和全部技術幹部分成三份，由二汽來挑一份。陳祖濤一口氣就挑出了2000多人。1966年10月，中共湖北省委決定成立二汽臨時黨委，對外稱是「國營東風機械廠」。11月，二汽的設備修造廠率先開始動工。
二汽首先要生產的是2.5噸的軍用越野車，這是拖大炮的車，要保證打仗的需要。二汽的建設目標是10萬輛，其中軍用車就有4.5萬輛，2.5噸的越野車2.5萬輛，3.5噸的越野車2萬輛。這個軍車生產規模，在全世界的汽車廠中都是沒有先例的。其餘的5.5萬輛是5噸的民用車。
陳祖濤說，這種建設目標在今天看，絕對是錯誤的，姑且不談國內能否消化得了這麼多軍車，就是從經濟效益上看，也是非常不合算的。按當時的價格，一輛2.5噸的車就要一二十萬，要知道，軍車的設計、建造和選材都和民用車不同，成本很高，是不賺錢的。我們能年年掏大把的銀子去補這個大窟窿嗎？我們的財政本來就是吃飯財政啊！二汽建成後，首先投產的是2.5噸的生產線，結果軍隊沒有錢買，每年只能買1500~2000輛，這種產能閒置的代價就是浪費國家大量的錢……
陳祖濤繼而總結說：要知道，我們建在三線的很多軍工廠都陷入了這個怪圈。當時是一切為了戰備，一切服從戰備，一切讓位於戰備，再多的錢也花，再難的事也幹，再大的苦也吃，但就是不講科學。飛機廠搞三套，坦克廠搞三套，潛艇廠搞三套，深山老林裡，到處挖洞。我去看過很多廠，崇山峻嶺的大山洞裡，新建的廠房，嶄新的機器設備，就是產品沒人要，最後陷入絕境。這不是一兩個企業，而是成百上千，國家投資幾千億，其結果最終還是國家損失，工人兄弟們吃苦啊!一家兩代甚至三代都窩在山溝裡，真是貢獻了青春獻子孫。所以，我認為，當時提出的「軍民結合以軍為主」的方針是建立在對形勢的錯誤判斷的基礎上的，是錯誤的，已經成為歷史的教訓。
話說1978年，中國和美國通用汽車公司討論合作發展重型車，陳祖濤陪同美方代表來到此前從未對外國人開放的十堰市。在參觀了漂亮的車城後，美國人稱讚十堰是「中國的底特律」。但美方代表愛德華茲最後提了一個問題：「陳先生，我不理解，你們為什麼要在這麼一個大山溝裡建一個世界級的大廠呢？」
陳祖濤日後回憶他當時的心情：「技術上的問題難不倒我，但這個問題我有點猶豫……其實，我們在二汽的建設上是走了大彎路，交了大學費的，這是他們美國人所無法理解的。」
二汽的建設經過，展現了三線項目的基本特徵。對這一重大工業大轉移的歷史評價，是一個十分複雜的命題，或許它永遠不會有共識。
三線的建設成果是十分顯著的。
在鐵路建設方面——從1964年8月到1980年，共建成了成昆鐵路、湘黔鐵路、焦柳鐵路、襄渝鐵路、川黔鐵路、貴昆鐵路，它們把整個西北、西南地區連成了一片，還使西南地區與華中地區、西北地區和華北華中華南地區的交通網絡連為一體。同時還配合鐵路建設，建成許多公路網絡，從根本上改變了我國西部地區交通運輸落後的狀況，為西部地區的礦產開發、產品流轉、工業建設、國防建設創造了交通條件。
在國防工業方面——在重慶地區建成了常規兵器工業生產基地，在四川和貴州建成了電子工業生產基地，在四川和陝西建成了戰略武器科研、生產基地，在貴州和陝西、鄂西地區建成了航空和航天工業生產基地，在長江上、中游地區建成了船舶工業科研、生產基地，在西昌建成了衛星試驗、發射中心。通過三線建設，將東北、華北地區老軍事工業企業的一部分搬遷到西部地區建新廠，基本上達到了將重要軍工企業「一分為二」的目的。較高水平的核工業科研生產系統幾乎全部放在西部地區。
原材料、能源工業方面——在西部地區形成了大中小相結合的原材料工業體系，建成了攀枝花鋼鐵基地、重慶鋼鐵基地、成都地區鋼鐵工廠、貴州水城鋼鐵廠等大型企業，新建了西北銅加工廠、蘭州連城鋁廠、蘭州鋁廠、冥河鋁鎂冶煉加工廠、西北鋁加工廠和重慶西南鋁加工廠。為了與國防工業配套，還建設了重水、炸藥、樹脂、橡膠、醫藥企業，建成了西南煉焦煤基地、西北煤炭基地、平頂山、焦作、鶴壁等礦區，新建10萬千瓦以上電站68座。
機械工業方面——共有241個機械工業工廠、研究所、設計院搬遷到西部地區，後來又新建、擴建大中型項目124個，累計投資94.72億元，佔全國機械工業同期投資的53%。新建了12個重型機械工業製造廠，使西部地區形成了很強的重型機械製造能力。電機電器工業也發展起來，建成了四川東方電機廠、東方汽輪機廠、東方鍋爐廠、東風電機廠，形成了年產80萬千瓦的發電能力。
汽車工業方面——新建了第二汽車製造廠、陝西汽車製造廠、四川汽車製造廠，同時新建了一批配套工廠，使西部地區形成了軍民結合的輕、重型汽車批量生產的能力。
輕紡工業方面——造紙、制糖、制鹽、自行車、縫紉機、手錶、合成洗滌劑、塑料製品、皮革製品、棉紡織、毛紡織、絲綢、印染、針織、化纖、紡織機械等生產企業在西部地區全面鋪開。其中，新建5萬錠以上的棉紡織廠有7個，大中型維尼綸廠有5個。
此外，還在西部地區建成了100多個部屬儲備性倉庫，新建了一批高等院校。到20世紀70年代中期，三線企業許多工業產品的產量達到了全國產量的1/3。在三線建設，平地新建了30多座工業城市，著名的有攀枝花、十堰、德陽、六盤水等。
與上述顯赫成就同在的，是三線建設的問題和遺憾。
在佈局上，三線建設以「立即要打仗」為假設前提，實施了「靠山、分散、隱蔽、鑽洞」等方針，把每個工廠，甚至每個車間都規劃建設得極為分散，有的甚至採取了「村落式」、「瓜蔓式」、「羊拉屎」式佈局。貴州的飛機部件裝配廠分散佈置在9平方公里的龐大範圍內，僅鍋爐房就有10個。以這種游擊戰、備戰化的方法進行工廠建設，低效率、高投資是可以想見的。
由於三線建設是計劃經濟下的產物，上馬十分匆忙，規模非常龐大，加上政治動盪、管理混亂等原因，浪費和損失很驚人。據測算，在1966~1978年的12年中，三線項目的損失、浪費及不能發揮效益的資金高達300億元，占同期國家用於三線資金的18%以上。
日後，很多領導三線建設的高級官員都從不同角度進行過反思。
薄一波認為教訓有四條：一，對戰爭的威脅估計過分；二，「散、山、洞」方針有嚴重的片面性；三，小三線也有很大的浪費——所謂小三線，指的是沿海一些省份也把重要工廠一分為二，往山溝溝裡搬，造成生產經營的低效和浪費；四，積累率偏高，工業基建規模過大，使得積累和消費失調的矛盾進一步突出。
三線建設期間擔任物資管理部部長的袁寶華在談及工廠選址和佈局時說：一些工廠的廠址選擇不當，廠子的佈局不當，把車間給分散了，都跑到山溝裡邊去了，造成生產上很大的困難。另外，工廠一進山，就得自己養活自己，自己為自己服務，一個廠子就是一個小社會，什麼都得管，廠子的負擔相當重，成本很高。改革開放以後，這些三線企業根本留不住人了，因為這些地方學校的質量不好。工程技術人員們講，自己無非獻終身了，絕不能再獻子孫，無論如何得離開這個地方給孩子的教育找個出路。最後這些工廠大部分都從山裡邊又搬了出來。袁寶華還以二汽的選址為例說：「最典型的就是第二汽車廠的建設，把這個汽車廠的車間分散到幾條山溝裡，腦袋上又頂了一個水庫（指丹江口水庫），造成生產上的困難，這些流程都不那麼順當，可是就當時來說，這是備戰的需要。」
正如袁寶華所描述的，進入20世紀90年代中期以後，隨著國家戰略調整，大量的三線工廠被廢棄，所有員工及家屬全搬到離工廠近200公里外省會城市的生活區生活。2008年，一個曾經參加過三線建設的攝影師陳家剛出版了一本《永遠的三線》攝影集，他用鏡頭攝下了一幢幢被廢棄的、塵霧纏繞中的三線廠房。他寫道：「這些三線工廠地處大西南的深山溝裡，當年國家投資幾十億元建設而成，有成千上萬人在那裡工作和生活。所有的三線工廠都一樣，有派出所、學校、醫院、郵局，完全是一個完整的小社會。可後來，那裡如同一座座鬼城，只有極少數老弱病殘的職工在守著那破舊而廢棄的廠房。那成排的生活區家屬樓空無一人，樓前雜草叢生，那些以前三線人栽種的蘋果、梨樹全無人管，任由它自生自滅。」
時任國家基本建設委員會主任的谷牧在《谷牧回憶錄》中記敘了這樣一件事情：到1965年底，主管經濟工作的中央領導們已經意識到三線建設的某些弊病，鄧小平、李富春（時任國務院副總理兼計委主任）率隊對幾處重要建設基地進行了考察，12月4日在昆明召開討論會，谷牧準備了詳細的發言提綱，提出了幾個供研討的命題，包括：「一二線有什麼工廠，三線也要有」這個要求如何具體落實？建設在三線的工廠要搞到多大規模？「靠山」靠到什麼程度，「分散」分到什麼程度？哪些項目要「進洞」？三線建設中的輕重工業比例如何掌握？職工家屬如何安排，隊伍如何保持穩定？等等。