פצצת ההיתוך הראשונה, שכונתה "איוי מייק", נוסתה על ידי ארצות הברית במסגרת מבצע איוי ב-1 בנובמבר 1952, באי אלוגלאב באזור איי מרשל. הפצצה עשתה שימוש בנוזל דאוטריום כדלק היתוך ובהתקן ביקוע גדול כזרז. הפצצה הייתה אב-טיפוס בלבד ולא נשק אופרטיבי: אורכה היה כ-6 מטרים ומשקלה כ-64 טון. הפצצה הייתה כה מגושמת עד שאפילו המטוסים הגדולים ביותר לא היו מסוגלים לשאת אותה.
הפיצוץ יצר כ-10.4 מגטון TNT של אנרגיה - פי 450 יותר מהאנרגיה של הפצצה שהוטלה על נגסאקי-והשמיד את האי אלוגלאב. במקום שבו פעם עמד האי נותר מכתש תת-ימי ברוחב 1.9 קילומטרים ובעומק של 50 מטרים.
טרומן במקור ניסה לייצר ערפל תקשורתי סביב הניסוי - בתקווה שהדבר לא יהפוך לשיחת היום בבחירות לנשיאות שהיו עתידות להתקיים - אולם ב-7 בינואר,1953, לאור רמזים והשערות שהחלו להופיע בעיתונות, הכריז טרומן קבל עם ועדה אודות פיתוח פצצת המימן.
על מנת לא להשתרך מאחור, ניסתה ברית המועצות את ההתקן התרמו-גרעיני שלה, אשר תוכנן על ידי הפיזיקאי אנדריי סחרוב, ב-12 באוגוסט,1953. ההתקן כונה ג'ו-4 במערב. הניסוי יצר חשש בחוגים ממשלתיים וצבאיים בארצות הברית שכן בניגוד לפצצת ה"מייק" שהייתה בידי ארצות הברית אך הייתה אב-טיפוס בלבד לסובייטים היה התקן מבצעי. ההתקן הראשון לא היה פצצת מימן אמיתית והיה מסוגל ליצור אפקט פיצוץ של מאות קילוטון (ולא הגיע לאזור המגטון). ברם, היה ההתקן כלי תעמולתי ממדרגה ראשונה עבור הסובייטים. הפיצוץ של "ג'ו-4" אשר התרחש שנה בלבד לאחר הניסוי ב"מייק" אישש את הטענה שפיתוח הפצצות החדשות היה בלתי נמנע, וכן חיזק את ידי אלו שצידדו בפיתוח תוכנית נשק ההיתוך. הביטוי לכך הופיע בשיא המקרתיזם, כאשר התרחשו שימועים בראשית 1954 אשר שללו מרוברט אופנהיימר, לשעבר ראש מעבדת לוס אלמוס, את הסיווג הביטחוני בשל האשמות נגדו כי הוא היה בלתי אמין, לא תמך בתוכנית פצצת המימן האמריקנית, וקשר קשרים עם השמאל בשנות ה-30 של המאה ה-20. אדוארד טלר היה המדען היחיד שהעיד נגד אופנהיימר דבר שעלה לו בנידוי מקהילת הפיזיקה.
ב-28 בפברואר 1954, ניסתה ארצות הברית, באיי מרשל, את הנשק התרמו-גרעיני המבצעי הראשון שלה. שם הקוד של הניסוי היה "castle bravo". הנשק עשה שימוש באיזוטופים של ליתיום כדלק היתוך. הפיצוץ הפיק כ-15 מגטון של אנרגיה, פי 2 יותר משצפו, והפך לתאונה הגרעינית הקשה ביותר בתולדות ארצות הברית. השילוב של פיצוץ חזק מהצפוי ותנאי מזג אוויר קשים יצרו ענן של נשורת גרעינית רדיואקטיבית אשר זיהמה יותר מ-7,000 מיילים רבועים. תושבי האיים פונו (ואיים אלו עדיין אינם ניתנים ליישוב) אך הפינוי התרחש מאוחר מדי. הילידים ספגו קרינה רדיואקטיבית בכמות כזו שהם סבלו מרמות תחלואה גבוהות של סרטן וממומי לידה.
לפצצת המימן הייתה השפעה אמיתית על הלך המחשבה הצבאית בנושא מלחמה גרעינית. עם פצצות ביקוע בלבד, מלחמה גרעינית הייתה עשויה להיחשב כעימות "מוגבל". מאחר שפצצות ביקוע הוטלו על ידי מטוסים והיו מסוגלות להשמיד רק אזורים בנויים בערים גדולות, היה ניתן להתייחס אל הפצצות פשוט כאל התקדמות טכנולוגית שחלה בשיטות ההפצצה המקובלות במהלך מלחמה (כמו הפצצות התבערה שבוצעו נגד יפן וגרמניה במהלך מלחמת העולם השנייה). טיעונים שפצצות כאלה יובילו למוות והרס חובקי עולם טואטאו הצידה כהגזמה. עשורים לפני פיתוח פצצות הביקוע היה מקובל לשער כי בכוחם של בני האדם להביא לקץ החיים על פני כדור הארץ בעטיה של תאונה או כוונת זדון, אולם עד לפצצת המימן לא פותחה טכנולוגיה שהיה בכוחה לעשות זאת. הכוח העצום של פצצות המימן שינה את פני הדברים.
ניסוי "Castle Bravo" שתוצאותיו היו קשות העלה שאלות לגבי היכולת לשרוד מלחמה גרעינית. מדעני ממשל בארצות הברית ובברית המועצות התעקשו שנשק היתוך, בניגוד לנשק ביקוע, "נקי יותר" שכן תגובות ההיתוך לא נגמרות בתוצרי לוואי רדיואקטיביים מסוכנים בניגוד לתגובות הביקוע. בעוד שטכנית היה הטיעון נכון, הוא הסתיר נקודה מזוויעה: השלב האחרון שבהפעלת פצצת מימן רב שלבית עושה שימוש לרוב בנייטרונים של תגובות הביקוע על מנת להביא לביקוע באורניום טבעי וכך נוצרה בערך מחצית מהעוצמה של הפצצה. שלב הביקוע הפך את נשק ההיתוך ל"מלוכלך" יותר משנועד להיות במקור. כאשר ברית המועצות בדקה בשנת 1955 את ההתקן שלה הייתה מלחמה גרעינית נראתה רחוקה בדעת הציבור ומקבלי ההחלטות: אפילו היה ועיר או מדינה לא תהיה מטרה ישירה של התקפה גרעינית, העננה של הנשורת ותוצרי ההיתוך המזיקים יפוזרו בהתאם לתנאי מזג האוויר ויספגו גם באדמה ובמים של אזורים שלא היו יעד להתקפה. החלו השערות בדבר מה יהיה גורל העולם כולו עקב הנשורת והאבק שייווצרו בעימות גרעיני. לא עוד דובר רק על גורל הערים או המדינות שיהיו יעד ישיר למתקפה שכזו. באופן זה נקשר גורל העולם בגורל מעצמות העל המחזיקות בנשק.
הרתעה ומנהיגות.
במהלך שנות ה-50 ושנות ה-60 המוקדמות של המאה ה-20 מרוץ החימוש גרעיני בין ארצות הברית לברית המועצות קיבל גוון של מידתיות שמטרתו הייתה למנוע מהיריב להשיג עליונות גרעינית. הדבר בא לידי ביטוי במישור הטכנולוגי ובמישור הפוליטי, והייתה לכך השפעה תרבותית ופוליטית חשובה במהלך המלחמה הקרה.
פצצות האטום הראשונות אשר הוטלו על הירושימה ונגסאקי היו גדולות והצריכו כוח אדם מיומן לצורך חימושן והטלתן. הפצצות יכלו להינשא רק על ידי מפציצים כבדים - באותה תקופה הבואינג B-29 סופרפורטרס - וכל מטוס יכול היה לשאת פצצה יחידה בלבד. פצצות המימן הראשונות היו כבדות ומסורבלות באותה מידה. בשנים שלאחר המלחמה, ארצות הברית השקיעה מאמצים רבים במטרה להפוך את הפצצות למבצעיות ופשוטות ובשנות ה-50 של המאה ה-20 יצאה לפועל תוכנית של ניסויים גרעיניים במטרה לשפר את מצבורי הנשק הגרעיני.
החל בשנת 1951, הפך אתר הניסויים נבדה (במדבר נבדה) לאתר הניסויים הגרעיניים הראשי של ארצות הברית. הניסויים חולקו לשתי קטגוריות עיקריות: "ניסוי בנשק" (וידוא תקינות נשק חדש) ו"השפעות הנשק" (בחינת התנהגות הנשק בתנאים שונים או השפעות הנשק על מבנים). בתחילה היו כמעט כל הניסויים הגרעיניים "אטמוספיריים" או "תת-ימיים". הניסויים שימשו כאינדיקטור לכח הטכנולוגי והלאומי אך בד בבד גם העלו שאלות בנוגע לבטיחות הניסויים אשר הפיצו נשורת גרעינית לתוך האטמוספירה.
בשנת 1958 הכריזו ארצות הברית, ברית המועצות והממלכה המאוחדת על עוצר ניסויים זמני בנסיבות פוליטיות ותברואתיות, אולם עד שנת 1961 הפרה ברית המועצות את העוצר דבר שהוביל למרוץ ניסויים בין ארצות הברית לברית המועצות. כמצג של כוח פוליטי, ניסתה ברית המועצות, באוקטובר 1961, את הנשק הגרעיני הגדול ביותר אי פעם. פצצת הצאר, אשר נוסתה בעוצמה מוחלשת של 50 מגטון (אך הייתה עשויה להגיע אף לעוצמה של 100 מגטון). הפצצה הייתה מגושמת לשימוש צבאי מעשי אבל הייתה חזקה דיה על מנת לגרום לכוויה דרגה שלישית במרחק של 100 קילומטרים. בתכן ה"מלוכלך" הפצצה הייתה מגדילה את כמות הנשורת הגרעינית בעולם מאז שנת 1945 בכ-25 אחוז.
בשנת 1963, חתמו כל המדינות שאחזו בנשק גרעיני וגם רבות מהמדינות שלא היה בידיהן נשק כזה, על אמנת עוצר הניסויים. האמנה חייבה אותן להימנע מניסויים גרעיניים באטמוספירה, מתחת לים או בחלל החיצון. האמנה איפשרה ניסויים תת-קרקעיים.
ניסויים נוספים היו צנועים בהרבה ומטרתם הייתה טכנית ישירה. השיפורים בנשק היו בעלי שני יעדים. יעד אחד היה הגדלת היעילות והעוצמה, ותוך מספר שנים בלבד פותחו פצצות ביקוע אשר היו חזקות עשרות מונים מאלו שנוצרו במהלך מלחמת העולם השנייה. היעד השני היה מיזעור, הקטנת גודל הנשק. פצצות קטנות היו פשוטות יותר לנשיאה על ידי מפציצים וכך היוו איום רב יותר אפילו למערכי ההגנה האווירית הצפופים ביותר. השימוש בפצצות יוכל להשתלב בפיתוח הרקטות במהלך שנות ה-50 וה-60 של המאה ה-20.
מאמצי ארצות הברית בנושא הרקטות קיבלו דחיפה אדירה בשנים שלאחר המלחמה, בשל קליטת מהנדסים אשר עבדו על תוכנית הרקטות של הנאצים. מהמפורסמים שבהם היה וורנר פון בראון, אשר היה מעורב בתכן וביצור של רקטות הV2 שאר שוגרו לעבר בריטניה. מבצע פייפרקליפ, שאף להעביר מדענים גרמנים לידי האמריקנים (לפני שיפלו לידי הסובייטים).
פיתוחים נוספים בנשק.
הרקטות הראשונות שצוידו בראשי קרב גרעיניים כמו MGR-1 Honest John, היו טילי קרקע-קרקע בעלי טווחים קצרים (של 25 קילומטרים לכל היותר) בעלי עוצמה הגדולה פי שניים מזו של נשק הביקוע הראשון. הטווח המוגבל של כלי הנשק הגביל את טווח המקרים שבהם הנשק היה בר שימוש. הנשק היה נשק טקטי בלבד.
נשק אסטרטגי - נשק שיכול לאיים על מדינה שלמה - היה באותה תקופה רק המפציצים הכבדים ארוכי הטווח אשר יכלו לחדור עמוק לשטח האויב. בשנת 1946 הוקם בארצות הברית גוף בשם פיקוד האוויר האסטרטגי שהיה מערך של מפציצים בראשותו של קרטיס לה מיי (אשר פיקד בעברו על הפצצת טוקיו במלחמת העולם השנייה). הגוף היה אחראי להחזיק בכל רגע מספר של מטוסים בעלי תחמיש גרעיני אשר יוכלו לקבל פקודות להתקיף את מוסקבה ביום פקודה.
האפשרויות הטכנולוגיות איפשרו לפתח אסטרטגיה גרעינית שהייתה בעלת לוגיקה שונה מתפיסות צבאיות קודמות. מאחר שהאפשרות של מלחמה גרעינית הייתה איומה, היו שסברו שהיא לעולם לא תפרוץ. הדוקטרינה של דווייט אייזנהאואר "תגובה מסיבית" בשנים הראשונות של המלחמה הקרה הייתה בגדר מסר לברית המועצות שאם הצבא האדום ינסה לפלוש לאירופה הרי שיעשה שימוש בנשק גרעיני נגד הכוחות הסובייטים הפולשים ונגד המנהיגים הסובייטים.