核武器
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参见：核軍備競賽、蘇聯原子彈計劃、颶風行動、596工程和藍色跳鼠
冷戰初期的1948年，蘇聯的鈾-235工廠（817厂）在車里雅賓斯克附近建成。817厂的建设工程在车里雅宾斯克州克孜勒塔什湖南岸進行，工程包括石墨堆（А厂）、放射化学厂（Б厂），及化工冶金厂（В厂）的建设。石墨反应堆建于地下混凝土深井中，井壁厚3米，外包钢制水箱，井内径9.4m，设1168根燃料槽。1946年9月开工，1947年1月完成40m深基坑开挖，1947年末主体工程竣工，1948年1月开始安装调试，1948年6月初开始安装核燃料，6月10日19时装入72.6吨金属铀后达到1000千瓦链式反应。6月22日达到满功率100百万瓦。1948年12月22日首批铀块出堆送入Б厂。Б厂是在1948年8月末完成主体施工开始遥控设备安装。1949年2月26日首批钚浓缩液从Б厂出厂送入В厂，首先由第九车间生产出硝酸钚，然后由第四车间还原生产金属钚，最后送入第11车间机加工。1949年8月初生产出苏联第一颗原子弹的两个钚半球。
阿尔扎马斯-16保密行政区的苏联科学院第二实验室第11研究所承担原子弹的设计工作，总设计师哈里顿（俄语：）。1949年8月8日两颗镀镍的钚半球从车里雅宾斯克-40的В厂起运往第11研究所最后组装。阿尔扎马斯-16在保密行政区斯维尔德洛夫斯克-44设有气体扩散浓缩铀工厂，1949年竣工投产。斯维尔德洛夫斯克-44设有电磁法浓缩铀工厂。在塔吉克的列宁纳巴德建设了第六综合厂，下设6处矿山和5处浸出厂。
在1949年8月29日，前蘇聯核試驗於哈薩克的塞米巴拉金斯克試驗場第一次試爆原子彈，原子彈的名稱為「РДС-1」（第一閃電）。РДС-1是庫爾恰托夫研究所所構思的，設計與美國的胖子原子彈幾乎是一樣的，引起美國對其研發團隊內存在蘇聯「原子間諜」的猜疑。當時官方稱其為實驗室第二號，但自1946年4月起內部文件將它定性為與辦公室或基地一樣的事物。РДС-1爆炸產生了2.2万噸的威力。與胖子原子彈一樣，РДС-1是一種內爆型核武器，核心是固體的鈈。
前蘇聯成功研制出原子彈後，在1950年1月，美国总统杜鲁门决定研制氢弹。氢弹的研究工作由愛德華·泰勒领导。1951年泰勒佔有了烏拉姆的一個創新構想，並將其開發成第一個可行的爆炸當量達百萬噸級氫彈設計。烏拉姆及泰勒的貢獻就成了後來的泰勒-烏拉姆設計方案。利用原子弹促进爆炸时产生的高温，使氘发生核融合反应。1951年5月8日（UTC+11），美國進行氢弹原理试验，试验弹代号「乔治」，在太平洋上的恩尼威托克岛试验场进行，當量22.5萬吨，是溫室行動的其中一環。达62吨的试验装置放在60余米的钢架上，装置以液态氘作为核融合原料，并有冷却系统使氘处于极低温。「乔治」试验弹實際上是一顆充入液态氘的裂變彈，氘氣能夠作為一種助力劑，利用氚在炸彈爆炸時發生的核融合反應產生的高能中子，加劇可分裂物質的鏈式分裂反應，所以被稱為「加強型分裂炸彈」。這次試驗証實了泰勒的構想是可行的。同月24日，美國引爆「Item」试验弹，這個试验装置首次選用了氚作為核融合燃料。
美國在1952年10月31日（UTC+11）於太平洋的埃內韋塔克環礁伊魯吉拉伯島引爆「常春藤麥克」氢弹试验装置，是常春藤行動的一環。該裝置是第一個通過測試的泰勒-烏拉姆方案核裝置。该装置高6米，直径为1.8米，重达65吨，看上去像个大暖瓶，爆炸威力达1000万吨TNT当量。相当于广岛型原子弹的500倍。「常春藤麥克」体积比一辆载重汽车还大，它必须装有笨重的制冷系统，这样的装置飞机、导弹都无法运载，没有什么实战价值。常春藤行動中的另一個试验装置「國王」於同年11月15日（UTC+11）在埃內韋塔克環礁被引爆，當量超過50萬噸TNT，是當時威力最大的純裂變式原子彈。
1953年8月12日，蘇聯於塞米巴拉金斯克試驗場成功試驗氫彈，名稱為「RDS-6s」，當量為四十萬噸TNT。其方案是采用锂的一种同位素锂─6和氘的化合物──氘化锂作核燃料。氘化锂是固体，不需冷却压缩，制作成本低、体积小、重量轻、便于运载。这种氢弹称为「乾式」氢弹，所以蘇聯是第一個成功把氫彈實用化的國家。
在1954年3月1日（UTC+11），美國在城堡行動中在比基尼岛试验代號「Bravo」的氫彈，這是美国的第一颗实用型氢弹，並是美國歷來引爆過的測試彈頭中威力最大的，當量為一千五百萬噸TNT。英國在1952年於澳洲蒙泰貝洛群島進行英國首次核子試爆。幾位關鍵英國科學家曾在曼哈頓計劃中工作，他們返回英國後在英國原子彈計畫中工作，所以颶風行動武器類似胖子（長崎核爆）核子武器，雖然1946年的麥克馬洪原子能法防止英國使用美國的設計數據。颶風行動採用空心設計，不同於三位一體測試。這種設計增加炸彈當量為30千噸，儘管實際當量接近25千噸。
1955年4月14日（UTC-8），美國在內華達試驗場試驗代號「MET」的核彈，當量2.2萬噸，比預期當量3.3萬噸少33%。該次試驗首次使用由鈾-233和鈽組成的炸彈核心，這是其於TX-7E的「鈾-235/鈽」井。同年，沙哈諾夫留在薩羅夫主導研發並設計製造出蘇聯首枚百萬噸級氫彈。其後前蘇聯於1961年10月30日（UTC+3）在新地島引爆一枚氫彈，稱為沙皇炸彈。这是人類至今所引爆過所有種類的炸彈中，體積、重量和威力最強大的炸彈，當量為五千萬噸TNT，其威力是第二次世界大戰投擲於廣島和長崎的「小男孩」原子彈的3,800倍、「胖子」原子彈的2,300倍。其引爆時的火球直徑接近8公里，相當於珠穆朗瑪峰的高度，火球最高處離地面10.5公里，差不多達到了投放炸彈的Tu-95轟炸機的飛行高度。
美國於1956年5月27日首次測試三階段熱核武器，名為「Zuni」，是紅翼行動的一環，這款炸彈的當量為350萬噸TNT，85%的釋放能量來自核聚变，它使用了鋰作為干涉層，而不是會引發核裂變的鈾-238。在同年7月20日，另一個同款熱核武器被引爆，名為「Tewa」，當量為500萬噸TNT，選用了鈾-238作為干涉層。與Zuni不同，Tewa炸彈87%的釋放能量來自核裂變，由於核裂變會造成大量放射性物質污染，所以Tewa被稱為Zuni的肮脏版本。這種三階段熱核武器後來被發展成美國裝備部隊最大的炸彈「Mk-41」。
英国於1957年5月15日拥有氢弹。法国在美国曼哈頓計劃協助下核技術有長足進展，在1960年2月13日阿尔及利亚战争期间，法国在阿尔及利亚撒哈拉大沙漠拉甘，完成法國第一个原子弹核试验蓝色跳鼠，当量為7万吨。
在1959年，中蘇關係急劇惡化。1959年6月13日（UTC+08），中國人民解放軍總參謀部正式批准核試驗基地建設。同年11月16日，第一屆全國人民代表大會常務委員會第51次會議決定設立的中華人民共和國第三機械工業部（三機部），主管核工業發展建設和核武器製造。宋任窮被任命為部長，錢三強被任命為副部長。1958年2月11日，原三機部改名為中華人民共和國第二機械工業部（二機部）。中國物理學家鄧稼先組織了研製小組用計算器模擬了原子彈爆炸的過程。隨後，鄧稼先組建了高級理論班子，包括物理學家周光召等人，專門研究解決原子彈設計中的重大技術問題。原子彈內部的力學問題由周光召解決。兩位在流體力學和數學上有很深造詣的副主任成功地解決了不定向流體力學的計算方法問題。鄧稼先自己則親自主持高溫高壓下物質狀態的研究。物理學家江德熙在1961年冬成功研製點火中子源，並把這個裝置命名為「XY小球」。中國從1959年開始在雲南臨滄地區開採鈾礦，一共得到150噸粗鈾原料。與此同時，鈾加工工廠的建設也在進行，工廠對粗鈾原料進一步加工。早在1959年初，二机部所属的内蒙古包头核燃料元件厂、甘肃兰州铀浓缩厂、甘肃酒泉原子能联合企业等首批主要工程都已取得了很大进展。1964年，原子彈組裝完成。8月份，原子彈運到了中国核试验基地。試驗場上豎起了一座高達103米的鐵塔，場內設有各種指揮所、觀察哨、輻射偵察分隊、有線課題遙測站以及氣象觀測站。1964年10月14日19時（UTC+08），原子彈被吊上了鐵塔。16日上午，引爆裝置XY小球被安裝上彈體，炸彈在新疆維吾爾自治區罗布泊當日14時59分40秒啟動起爆程序，原子彈被成功引爆。後來在1966年10月27日（UTC+08），中國成功試驗能夠運載核子武器的導彈。中國熱核武器的研製緊接進行。于敏率領的研製團隊於1966年5月9日（UTC+08）成功地進行了一次含有熱核材料的核試驗，同年12月28日，又用塔爆方式進行了氫彈原理試驗，當量30萬噸。次年6月17日7時（UTC+08），第六次核試驗中成功試爆熱核自由落體炸彈，引爆的炸彈當量331萬噸。
1968年8月24日，法國成功試爆該國第一枚熱核炸彈，當量260萬噸。1974年5月18日，印度在鄰近巴基斯坦的波卡蘭試驗場試爆名為「波卡蘭-I」的原子彈，當量1萬2千噸。
在古巴導彈危機後，公眾開始重視核武器帶來的後果，於是美國、英國和蘇聯便開始積極進行協商制定《核不擴散條約》相關細節的討論，到1968年美國、英國和蘇聯簽署《核不擴散條約》，而在當時與美國和蘇聯兩個同時都處於對立狀態下的中華人民共和國並沒有簽署此條約。
1980年10月16日，中華人民共和國最后一次大气核爆炸。1986年3月21日，国际和平年的春季，中華人民共和國政府正式宣布不再进行大气层核试验。