السلاح النووي وإسرائيل تمت العلاقة النووية الفرنسية-الإسرائيلية يوم 3 أكتوبر 1957، في اتفاقيتين محتوياتهما مازلت سرية حتي الآن: أحداهما سياسية أعلن فيها أن المشروع سوف يكون للأغراض السلمية وحُددت فيها التزامات قانونية أخرى، و الأخري تقنية وصف فيها مفاعل EL -102 بقدرة 24 ميجاوات. وكان المفاعل الذي سينفذ في الواقع أكبر من ذلك مرتين إلى ثلاث مرات وسيكون قادرا على إنتاج 22 كيلوغراما من البلوتونيوم سنويا. عندما وصل المفاعل إلى إسرائيل، أعلن رئيس الوزراء بن غوريون أن الغرض منه كان لتوفير محطة ضخ لتحلية مليار جالون مكعب من مياه البحر سنويا وتحويل الصحراء إلى "جنة زراعية". في أعقاب ذلك استقال ستة من سبعة أعضاء في لجنة الطاقة الذرية الإسرائيلية على الفور احتجاجا، معتبرين أن المفاعل كان مقدمة ل"مغامرة سياسية سوف تؤدي لأن يتحد العالم ضدنا".
قبل بدأ أعمال البناء تقرر أن حجم المشروع سيكون كبيرا جدا بالمقانة مع امكانيات الفريقين، شعبة البحوث والبنية التحتية (EMET) ومنظمة الطاقة الذرية الإسرائيلية (IAEC)، لذلك قام شمعون بيريز بتعين العقيد مانوية برات، الملحق العسكري الإسرائيلي وقتئذ في بورما، ليكون رئيس المشروع. بدأ البناء في أواخر العام 1957 أو أوائل عام 1958، وذلك بحضور مئات من المهندسين والفنيين الفرنسيين إلى منطقة بئر السبع وديمونا . وبالإضافة إلى ذلك، تم تعيين الآلاف من اليهود السفارديم الذين هاجروا حديثا للقيام حفر؛ وللتحايل على قوانين العمل الصارمة، تم تعيينهم بزيادات مقدرة ب 59 يوما، مفصولة بيوم عطلة واحد.
بحلول أواخر الخمسينات أنشأ شمعون بيريز ودشن شعبة مخابراتية جديدة مخصصة للإستقصاء في العالم، ولتأمين التقنيات والمواد والمعدات اللازمة للبرنامج بشكل سري؛ بأي وسيلة ضرورية. في آخر الأمر سميت الخدمة الجديدة بليكيم LEKEM (وتلفظ لاكام، اختصارا ل "مكتب وصل العلوم' بالعبرية). عين بيريز بنيامين بلومبرغ، رئيس أركان الجيش الإسرائيلي للأمن الداخلي، لقيادة هذه المهمة. كرئيس لتلك الشعبة، ارتقي بلومبرغ ليصبح شخصية رئيسية في جماعة الاستخبارات الإسرائيلية، وذلك لقيامه بتنسيق العملاء في جميع أنحاء العالم وتأمين العناصر المصيرية للبرنامج.
عندما أصبح شارل ديغول رئيسا لفرنسا في أواخر عام 1958 أراد أن ينهي التعاون النووي الفرنسي-الإسرائيلي، وقال انه لن يقوم بتزويد إسرائيل باليورانيوم إلا إذا تم فتح المُنشأة للمفتشين الدوليين، وأعلانها سلمية، وأنه لا يتم فيها إعادة تصنيع للبلوتونيوم. خلال سلسلة طويلة من المفاوضات، وصل شمعون بيريز في النهاية إلى حل وسط مع وزير الخارجية موريس كوف دو مورفيل بعد أكثر من عامين، والذي بموجبه تكون الشركات الفرنسية قادرة على مواصلة الوفاء بالاتزاماتها في العقد المبرم بينها وبين إسرائيل، وتعلن إسرائيل في المقابل أن المشروع السلمي. ونتيجة لهذا، لم تنته المساعدات الفرنسية حتى عام 1966. ومع ذلك أوقف توريد وقود اليورانيوم (النووي) لإسرائيل سالفاً في عام 1963. وعلى الرغم من هذا، ربما قامت شركة يورانيوم فرنسية متمركزة في الغابون ببيع اليورانيوم لإسرائيل في عام 1965. ابتدأت الحكومة الأمريكية تحقيقا في تلك الواقعة، ولكن لم تتمكن من تحديد ما إذا كان مثل هذا البيع قد حدث أم لا.
تبين وثائق بريطانية سرية للغاية  حصل عليها برنامج نيوزنايت في البي بي سي أن بريطانيا قدمت مئات من الشحنات السرية المحتوية على مواد محظورة إلى إسرائيل في الخمسينات و الستينات. شملت هذه الشحنات موادا كيميائية متخصصة لإعادة المعالجة وعينات من مواد انشطارية مثل اليورانيوم-235 في عام 1959، والبلوتونيوم في عام 1966، وكذلك ليثيوم-6 عالي التخصيب، الذي يستخدم لتعزيز القنابل الانشطارية وتزويد القنابل الهيدروجينية بالوقود. التحقيق أيضا أظهر أن بريطانيا شحنت 20 طنا من الماء الثقيل مباشرة إلى إسرائيل في عامي 1959 و 1960 للبدء في تشغيل مفاعل ديمونة. وعقدت الصفقة من خلال شركة واجهة نرويجية تدعي نوراتوم Noratom والتي حصلت علي عمولة 2٪ من ثمن الصفقة. كانت بريطانيا قد طُلب منها دفوعا في الوكالة الدولية للطاقة الذرية حول صفقة المياه الثقيلة بعد أن كَشف عنها برنامج البي بي سي نيوزنايت في عام 2005. ادعى وزير الخارجية البريطاني كيم هاولز أن هذا البيع كان إلى النرويج. لكن ضابط المخابرات البريطاني السابق الذي حقق في الصفقة في ذلك الوقت أكد أن هذا كان حقا بيعا لإسرائيل وأن عقد نوراتوم كان مجرد تمثيلية. اعترفت وزارة الخارجية البريطانية أخيرا في مارس 2006 أن بريطانيا كانت تعرف أن الوجهة كانت لإسرائيل طوال الوقت. تعترف إسرائيل بأنها قامت بتشغيل مفاعل ديمونا بالماء الثقيل النرويجي منذ عام 1963. يقول المهندسون الفرنسيون الذين ساعدوا في بناء مفاعل ديمونة أن الإسرائيليون كانوا مشغلي مفاعلات محترفين، ولذلك لم يفقد من ذلك الماء قط سوي جزء صغير نسبيا خلال السنوات التي تلت تحضير المفاعل لأول مرة موضع التنفيذ.
في عام 1961، أبلغ رئيس الوزراء الإسرائيلي ديفيد بن غوريون رئيس الوزراء الكندي جون ديفنبيكر أن إسرائيل ستقوم ببناء محطة تجريبية لفصل البلوتونيوم في ديمونا. وخلصت الاستخبارات البريطانية من هذه المعلومات وغيرها أن هذا "لا يمكن أن يعني إلا أن إسرائيل تعتزم إنتاج أسلحة نووية". اأصبح لمفاعل النووي في ديمونا حرجا في عام 1962. وبعد إنقطاع علاقة إسرائيل بفرنسا، ذكرت التقارير أن الحكومة الإسرائيلية تواصلت مع الأرجنتين. فوافقت الحكومة الأرجنتينية علي بيع الكعكة الصفراء (أكسيد اليورانيوم) لإسرائيل. ويُزعم أنه بين عامي 1963 و 1966، شُحن في السر حوالي 90 طنا من الكعكة الصفراء من الأرجنتين إلى إسرائيل. وبحلول عام 1965 تم الانتهاء من محطة اعادة التجهيز الإسرائيلية وأصبحت جاهزة لتحويل قضبان وقود المفاعل إلي بلوتونيوم من الصنف المخصص لصنع أسلحة نووية.
التكاليف المضبوطة لبناء البرنامج النووي الإسرائيلي غير معروفة، على الرغم من أن بيريز قد قال لاحقا أن المفاعل تكلف 80 مليون دولار في عام 1960، إذ تم جمع نصف هذا المبلغ من التبرعات التي وهبها يهود الخارج، والذين شملوا العديد من اليهود الأميركيين. وقد أتيح لهؤلاء المتبرعين القيام جولة في مجمع ديمونة في عام 1968.