הפיתוח של טכנולוגיות תגובה מהירה (כגון רקטות ומפציצים ארוכי טווח), הפרה את הדוקטרינה. במצב שבו לברית המועצות היה נשק גרעיני, ביצוע דוקטרינת "תגובה מסיבית" הייתה גוררת לתגובה גרעינית נגד ארצות הברית. זו הסיבה שאנשי תורת המשחקים בצוות חשיבה של תאגיד ראנד פתחו אסטרטגיית לוחמה גרעינית אשר תיקרא לימים השמדה הדדית מובטחת.
אסטרטגיה זו גרסה כי למלחמה גרעינית ייתכנו שני שלבים: מכה ראשונה ומכה שנייה. במכה הראשונה יעשה שימוש בנשק גרעיני על ידי מדינה כנגד מדינה יריבה בעלת נשק גרעיני. אם המדינה המתקיפה לא הצליחה לשלול מהמדינה המותקפת את יכולת התגובה הגרעינית אזי המדינה המותקפת תוכל להנחית מכה שנייה על המדינה המתקיפה. במצב שכזה שתי המדינות ינזקו עד לנקודה של קריסה חברתית מוחלטת. על פי תורת המשחקים, מאחר שפתיחתה של מלחמה גרעינית תהיה מעשה התאבדותי, אין מדינה הגיונית אשר תחשוק בכניסה למלחמה שכזו. ברם, אם מדינה תהיה מסוגלת לשגר מכה ראשונה אשר תשמיד לחלוטין את יכולת המדינה המותקפת להגיב באופן הולם, הרי שמאזן הכוח יופר והסבירות למלחמה גרעינית תגדל.
אסטרטגית השמדה הדדית מובטחת הכילה שני קווי חשיבה: לוגיקה קרה ופחד. הביטוי שפרסם את האסטרטגיה היה "הרתעה גרעינית". הצרפתים תרגמו את הפתגם כ"הרתעה" אך הרוסים תרגמו אותו כ"הטלת טרור". הפרדוקס שבמלחמה הגרעינית בא לידי ביטוי בדבריו של וינסטון צ'רצ'יל: "ככל שהמצב הופך גרוע יותר, כך הוא משתפר" - ככל שהאיום בהשמדה הדדית גובר כך יהיה העולם בטוח יותר.
פילוסופיה זו הפנתה מספר דרישות טכנולוגיות ופוליטיות כלפי מדינות משתתפות. ראשית, הפילוסופיה גרסה שיש להניח תמיד כי מדינת אויב עשויה לנסות להשיג יכולת מכה ראשונה. בפוליטיקה האמריקנית הדבר התרגם לדרישות להימנע מ"פער טילים" ומ"פער מפציצים" לעומת ברית המועצות. בנוסף, הפילוסופיה זירזה את יצורם של אלפי פצצות גרעיניות על ידי ארצות הברית וברית המועצות, הרבה מעבר למה שהיה נדרש על מנת להרוס את המדינה היריבה.
מדיניות זו האיצה את הפיתוח של מערכת ההתרעה המוקדמת הראשונה. מלחמה קונבנציונלית, במלוא אונה, נערכה לאורך ימים ושבועות. באמצעות מפציצים ארוכי טווח, התקצר פרק הזמן של המלחמה לשעות ספורות. באמצעות רקטות, ניתן היה לקצר עתה מלחמה לדקות ספורות. הועלתה טענה שמערכות בקרה ושליטה טיפוסיות לא יוכלו להגיב כראוי למתקפה גרעינית. זו הסיבה שנעשו מאמצים כבירים על מנת לפתח מחשב ראשון אשר יוכל לאתר מתקפת אויב ולשגר תגובה מהירה. בארצות הברית, זרם תקציב עתק לפיתוח SAGE, מערכת שתאתר ותיירט מפציצי אויב באמצעות מידע מרדארים בנקודות מרוחקות. זו הייתה המערכת הראשונה שעשתה שימוש בעיבוד זמן אמת, בריבוב ובהתקן תצוגה.
אמצעי נגד.
מפציצים ורקטות קצרות טווח לקו בבעיות אמינות: מטוסים היו ניתנים ליירוט והטילים הגרעיניים הראשונים היו בעלי טווח קצר יחסית - למשל, הרקטות הסובייטיות הראשונות היו מוגבלות ביכולתן לפגיעה רק במטרות באירופה. ברם, עד שנות ה-60 של המאה ה-20, פיתחו ארצות הברית וברית המועצות טילים בליסטיים בין יבשתיים בעלי טווח המאפשר הגעתם לאזורים מרוחקים. טילים בליסטיים המשוגרים מצוללת היו בעלי טווח קצר מן היבשתיים אך יתרונם היה בכך שניתן היה לשגרם קרוב מאוד לאזור המטרה מבלי לאפשר לאויב התרעת רדאר. משמעות הדבר הייתה חוסר הגנה מפני טילים גרעיניים.
המציאות הצבאית יצרה מציאות דיפלומטית מסוכנת. מצב פוליטי בינלאומי של מאזן אימה גרר את מנהיגי שני הצדדים להצהיר על כוונתם להשתתף במלחמה גרעינית, במקום לוותר על היתרון בפני יריביהם. הדבר עורר חשש ציבורי כבד. תוכניות הגנה אזרחית פותחו על ידי שתי מעצמות העל במסגרתן נבנו מקלטים גרעיניים ותוכננו תוכניות הישרדות למקרה של מלחמה גרעינית. בדיחה שרווחה בקרב הרוסים במהלך המלחמה הקרה הייתה, כי מי ששומע את הסירנות עולות ויורדות עליו לאחוז באת החפירה ולהתקדם בשקט לעבר בית הקברות הקרוב על מנת לחפור לעצמו קבר. בדיחה דומה רווחה בארצות הברית והמליצה לאדם להישאר רגוע, לטמון את הראש בין רגליו, ו"לנשק את ישבנו" לשלום. בדיחה אמריקנית זו הייתה פרודיה על תרגולות ה"התכופף והתכסה" שתורגלו על ידי ילדי בתי הספר ברחבי ארצות הברית.
שיאו של מאזן האימה הגיע בראשית שנת 1962. מטוס ריגול לוקהיד U-2 אמריקני צילם סדרה של אתרי שיגור לטילים בליסטיים שנבנו בקובה, מעט מחוץ לחופה הדרומי של ארצות הברית. כך החל משבר הטילים בקובה. הממשל האמריקני בראשותו של ג'ון קנדי גרס שברית המועצות, בראשות ניקיטה חרושצ'וב, תכננה להציב טילים גרעיניים רוסיים בקובה אשר הייתה תחת שליטתו של פידל קסטרו. הטילים הללו היו בעלי טווח של כ-4000 קילומטרים, המאפשר לברית המועצות להשמיד בקלות ערים אמריקניות ראשיות בחוף המזרחי, אם תפרוץ מלחמה גרעינית. ב-22 באוקטובר, הכריז קנדי על הממצאים בנאום טלוויזיוני, ואמר שמצור ימי יוטל וייאכף סביב קובה במטרה לחסום העברה של נשק גרעיני סובייטי. קנדי הזהיר שהצבא האמריקני מוכן "לכל התפתחות".
מנהיגי שתי מעצמות העל ניצבו פנים אל מול פנים, מוכנים למה שנראה היה כמלחמת העולם השלישית. רצונו של חרושצ'וב להציב טילים על אדמת קובה נבע מכך שארצות הברית הציבה נשק זהה בבריטניה, איטליה ובטורקיה וכן מכך שארצות הברית ניסתה לממן פלישה כושלת לקובה, שנה קודם לכן, במבצע שנקרא הפלישה למפרץ החזירים. ב-26 באוקטובר שלח חרושצ'וב לקנדי הצעה להסיג את כל הטילים בתנאי שקנדי יתחייב שלא לפלוש בעתיד לקובה. חרושצ'וב ניסח זאת בבהירות:
כיממה בלבד אחר כך, ניסחו הרוסים הצעה חדשה ובה דרשו שארצות הברית תוציא את הטילים מטורקיה לפני הסגת הטילים מקובה. באותו יום, הופל מטוס U-2 אמריקני מעל קובה ואחד כמעט יורט מעל אדמת רוסיה. כמו כן התקרבו אניות סוחר סובייטיות לאזור המצור. קנדי הגיב באישור העסקה הראשונה בפומבי ושלח את אחיו רוברט קנדי לשגרירות הרוסית על מנת לקבל את העסקה השנייה בפרטיות. ב-28 באוקטובר, עצרו אוניות הסוחר הסובייטיות באזור המצור וחזרו על עקבותיהן לכיוון ברית המועצות. חרושצ'וב הכריז שהוא הורה על הסרת כל הטילים מאדמת קובה. דין ראסק, מזכיר המדינה האמריקאי העיר:
המשבר נותח מאוחר יותר כמצב הקרוב ביותר למלחמה גרעינית אליו הגיעו שתי מעצמות העל אי פעם. בשל חשש מכך שבעתיד ייווצרו קשיי תקשורת בין שתי המעצמות הותקן קו חם - קשר ישיר שיאפשר לדון בקלות בנושא פעילות צבאית עתידית ותמרונים פוליטיים. היה ברור שבעידן של טילים, מפציצים, צוללות ומחשבי ירי ההתדרדרות למצב של מלחמת גוג ומגוג קלה מאי פעם.
לאחר ששתי המעצמות צעדו כה קרוב אל הסף פעלו שתיהן על מנת לצמצם את המתיחות הגרעינית ביניהן בשנים הבאות. אחת מנקודות השיא של הפעילות הזו הייתה החתימה על הסכם עוצר ניסויים חלקי בשנת 1963, שבו ארצות הברית וברית המועצות הסכימו שלא לנסות יותר נשק גרעיני באטמוספירה, מתחת לים (או מתחת לאוקיינוס) או בחלל. ניסויים מתחת לקרקע המשיכו להתקיים ונוצרו פיתוחים נוספים אולם הסכנה לעולם מנשורת הופחתה בכוונה. עידן השימוש בניסויים גרעיניים אדירים למטרת צחצוח חרבות בין ארצות הברית לברית המועצות - הסתיים.
ב-25 באוקטובר 2011 הודיעה ארצות הברית כי פירקה את האחרונה מבין פצצות הגרעין החזקות ביותר במאגר הנשק הגרעיני הבלתי קונבנציונלי שברשותה, מדגם B53, שהוכנסה לשירות בשנת 1962, בשיא המלחמה הקרה עם ברית המועצות ומשבר הטילים בקובה. משקל הפצצה היה כ-4,500 ק"ג ועוצמתה פי 600 מפצצת האטום שהוטלה על הירושימה בסוף מלחמת העולם השנייה. לדברי ראש המינהל הלאומי לביטחון גרעיני, תומאס ד'אנגוסטינו - זו "אבן דרך משמעותית" בהיסטוריה הגרעינית והגשמת חלק מחזונו של נשיא ארצות הברית ברק אובמה לצמצום מספר כלי הנשק הגרעיניים.
התפשטות הנשק הגרעיני בעולם.
בשנות ה-50 וה-60 של המאה ה-20 הצטרפו אל "המועדון הגרעיני" 3 מדינות נוספות.
פרויקט הגרעין הבריטי.
הממלכה המאוחדת נטלה חלק בפרויקט מנהטן כחלק מהסכם קוויבק משנת 1943. העברת McMahon Act בשנת 1946 הפרה חד צדדית את ההסכם ואת שיתוף הפעולה ומנעה את המשך מעבר המידע לממלכה המאוחדת. הממשלה הבריטית תחת קלמנט אטלי החליטה שחייבת להיות פצצה גרעינית באמתחתה של בריטניה. המעורבות של בריטניה בפרויקט מנהטן הייתה נקודת פתיחה טובה אך היה חסר ידע במישורים רבים. גרסה משופרת של איש שמן פותחה וב-26 בפברואר 1952, הכריז וינסטון צ'רצ'יל שברשות הממלכה המאוחדת יש פצצה גרעינית. ניסוי מוצלח בשם מבצע הוריקן בוצע ב-3 באוקטובר 1952. בתחילה היו הפצצות הבריטיות פצצות נפילה חופשית ולאחר מכן פותח הטיל פלדה כחולה. שיתוף הפעולה הגרעיני בין בריטניה לארצות הברית התחדש בשנת 1958 בהסכם ההגנה ההדדית האמריקני בריטי משנת 1958. כתוצאה מכך קנתה הממלכה המאוחדת טילים בליסטיים להצבה בצוללות מדגם פולאריס וחימשה אותם בראשי קרב מפיתוח עצמי.
פרויקט הגרעין הצרפתי.
מעורבות צרפת במחקר גרעיני הייתה גדולה עוד טרם מלחמת העולם השנייה בעבודתו של פרדריק ז'וליו-קירי ובני משפחתו. המעורבות נפסקה לאחר המלחמה בשל חוסר היציבות של הרפובליקה הצרפתית הרביעית והעדר תקציב הולם. ברם, בשנות ה-50 של המאה ה-20 הוקמה תוכנית מחקר גרעיני אזרחית שפרי עבודתה היה פלוטוניום. בשנת 1956 הוקמה ועדה חשאית לבחינת יישומים צבאיים לאנרגיה גרעינית וכן הוקמה תוכנית לרכבי שיגור. בשנת 1958, עם שובו של שארל דה גול לנשיאות צרפת, התקבלו החלטות אחרונות בנוגע לבניית פצצה. ניסוי מוצלח התרחש בשנת 1960. מאז הקימה ותיחזקה צרפת יכולת הרתעה גרעינית עצמאית.
פרויקט הגרעין הסיני.