研发苏联首枚百万吨级氢弹，并在1955年进行了测试。有史以来破坏力最大的曾引爆的核武器——沙皇炸弹也是基于萨哈罗夫的设计制造的。萨哈罗夫曾提出兴建一个受控核聚变反应堆——托卡马克，直至现在仍是大部分同类研究的基础，他和伊戈尔·塔姆曾共同提出以环面状的磁场限制高热的离子化等离子体，以控制托卡马克的核聚变。
研究和物理学.1965年后，萨哈罗夫返回到基础科学，开始从事粒子物理学和宇宙学。他特别试图解释宇宙的重子不对称性，作为科学家首次推出两个宇宙所谓的“片”联系到宇宙大爆炸。