Chạy đua hạt nhân
Phổ biến hạt nhân ban đầu

Ngoài Hoa Kỳ và Liên Xô, ba quốc gia khác là Vương quốc Anh, Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa, và Pháp  phát triển vũ khí hạt nhân trong những năm đầu Chiến tranh Lạnh.
Năm 1952, Vương quốc Anh trở thành quốc gia thứ ba sở hữu vũ khí hạt nhân khi phát nổ một quả bom nguyên tử trong Chiến dịch Bão  vào ngày 3 tháng 10 năm 1952, có năng suất 25 kiloton. Bất chấp những đóng góp lớn cho Dự án Manhattan của cả chính phủ Canada và Anh, Quốc hội Hoa Kỳ đã thông qua Đạo luật Năng lượng nguyên tử năm 1946, cấm hợp tác đa quốc gia trong các dự án hạt nhân. Đạo luật Năng lượng nguyên tử làm phẫn nộ các nhà khoa học Anh và Winston Churchill, vì họ tin rằng có những thỏa thuận liên quan đến chia sẻ công nghệ hạt nhân sau chiến tranh, và dẫn đến việc Anh phát triển vũ khí hạt nhân của riêng mình. Anh đã không bắt đầu lên kế hoạch phát triển vũ khí hạt nhân của riêng mình cho đến tháng 1 năm 1947. Vì kích thước nhỏ của Anh, họ đã quyết định thử bom trên Quần đảo Monte Bello, ngoài khơi Australia. Sau thử nghiệm thành công này, dưới sự lãnh đạo của Churchill, Anh đã quyết định phát triển và thử nghiệm một quả bom hydro. Vụ thử bom hydro thành công đầu tiên xảy ra vào ngày 8 tháng 11 năm 1957, với năng suất 1,8 megatons. Một sửa đổi Đạo luật Năng lượng nguyên tử năm 1958 đã cho phép hợp tác hạt nhân một lần nữa và các chương trình hạt nhân Anh-Mỹ được nối lại. Trong Chiến tranh Lạnh, răn đe hạt nhân của Anh đến từ tàu ngầm và máy bay vũ trang hạt nhân. Các tàu ngầm tên lửa đạn đạo lớp <i id="mwARk">Resolution được</i> trang bị tên lửa Polaris do Mỹ chế tạo đã cung cấp khả năng răn đe trên biển, trong khi các máy bay như Avro Vulcan, SEPECAT Jaguar, Panavia Tornado và một số máy bay tấn công khác của Không quân Hoàng gia Anh mang theo bom trọng lực WE.177 mang tính đe dọa.
Pháp trở thành quốc gia thứ tư sở hữu vũ khí hạt nhân vào ngày 13 tháng 2 năm 1960, khi quả bom nguyên tử "Gerboise Bleue" được kích nổ tại Algeria, khi đó vẫn là thuộc địa của Pháp [Chính thức là một phần của Thủ đô Pháp.] Pháp bắt đầu lên kế hoạch cho một chương trình vũ khí hạt nhân ngay sau Thế chiến thứ hai, nhưng chương trình này không thực sự bắt đầu cho đến cuối những năm 1950. Tám năm sau, Pháp đã tiến hành thử nghiệm nhiệt hạch đầu tiên trên đảo san hô Fangatuafa. Nó có năng suất 2,6 megaton. Quả bom này đã làm ô nhiễm đáng kể đảo san hô với bức xạ trong sáu năm, khiến nó trở thành giới hạn đối với con người. Trong Chiến tranh Lạnh, răn đe hạt nhân của Pháp tập trung quanh Force de frappe, một bộ ba hạt nhân bao gồm các máy bay ném bom Dassault Mirage IV ctrang bị vũ khí hạt nhân như bom trọng lực AN-22 và tên lửa tấn công độc lập ASMP, tên lửa đạn đạo Pluton và Hades, và tàu ngầm lớp Redoutable được trang bị tên lửa hạt nhân chiến lược.
Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa đã trở thành cường quốc hạt nhân thứ năm vào ngày 16 tháng 10 năm 1964 khi quốc gia này kích nổ quả bom urani-235 25 kiloton trong thử nghiệm có tên mã 596  tại Lop Nur. Vào cuối những năm 1950, Trung Quốc bắt đầu phát triển vũ khí hạt nhân với sự hỗ trợ đáng kể của Liên Xô để đổi lấy quặng urani. Tuy nhiên, sự phân chia ý thức hệ Trung-Xô vào cuối những năm 1950 đã phát triển các vấn đề giữa Trung Quốc và Liên Xô. Điều này khiến Liên Xô ngừng giúp Trung Quốc phát triển vũ khí hạt nhân. Tuy nhiên, Trung Quốc tiếp tục phát triển vũ khí hạt nhân mà không có sự hỗ trợ của Liên Xô và đã đạt được tiến bộ đáng kể trong thập niên 1960. Do căng thẳng của mối quan hệ Liên Xô/Trung Quốc, Trung Quốc có thể đã sử dụng vũ khí hạt nhân chống lại Hoa Kỳ hoặc Liên Xô trong trường hợp xảy ra chiến tranh hạt nhân giữa Hoa Kỳ và Liên Xô. Trong Chiến tranh Lạnh, hạt nhân mang tính răn đe của Trung Quốc bao gồm bom trọng lực mang theo máy bay ném bom H-6, các hệ thống tên lửa như DF-2, DF-3 và DF-4, và sau đó giai đoạn Chiến tranh Lạnh, là tàu ngầm tên lửa đạn đạo Type 092. Vào ngày 14 tháng 6 năm 1967, Trung Quốc đã kích nổ quả bom hydro đầu tiên.