核武器的出現，是20世紀40年代前后科學技術重大發展的結果。1939年初，德國化學家O.哈恩和物理化學家F.斯特拉斯曼發表了鈾原子核裂變現象的論文。幾個星期內，許多國家的科學家驗證了這一發現，并進一步提出有可能創造這種裂變反應自持進行的條件，從而開辟了利用這一新能源為人類創造財富的廣闊前景。但是，同歷史上許多科學技術新發現一樣，核能的開發也被首先用于軍事目的，即制造威力巨大的原子彈，其進程受到當時社會與政治條件的影響和制約。從1939年起，由于法西斯德國擴大侵略戰爭，歐洲許多國家開展科研工作日益困難。同年9月初，丹麥物理學家N.H.D.玻爾和他的合作者J.A.惠勒從理論上闡述了核裂變反應過程，并指出能引起這一反應的最好元素是同位素鈾235。正當這一有指導意義的研究成果發表時，英、法兩國向德國宣戰。1940年夏，德軍占領法國。法國物理學家J-F約里奧-居里領導的一部分科學家被迫移居國外。英國曾制訂計劃進行這一領域的研究，但由于戰爭影響，人力物力短缺，后來也只能采取與美國合作的辦法，派出以物理學家J·查德威克為首的科學家小組，赴美國參加由理論物理學家J.R.奧本海默領導的原子彈研制工作。
在美國，從歐洲遷來的匈牙利物理學家齊拉德·萊奧首先考慮到，一旦法西斯德國掌握原子彈技術可能帶來嚴重后果。經他和另幾位從歐洲移居美國的科學家奔走推動，于1939年8月由物理學家A·愛因斯坦寫信給美國第32屆總統F.D.羅斯福，建議研制原子彈，才引起美國政府的注意。但開始只撥給經費6000美元，直到1941年12月日本襲擊珍珠港后，才擴大規模，到1942年8月發展成代號為“曼哈頓工程區”的龐大計劃，直接動用的人力約60萬人，投資20多億美元。到第二次世界大戰即將結束時制成3顆原子彈，使美國成為第一個擁有原子彈的國家。制造原子彈，既要解決武器研制中的一系列科學技術問題，還要能生產出必需的核裝料鈾235、钚239。天然鈾中同位素鈾235的豐度僅0.72%，按原子彈設計要求必須提高到90%以上。當時美國經過多種途徑探索研究與比較后，采取了電磁分離、氣體擴散和熱擴散三種方法生產這種高濃鈾。供一顆“槍法”原子彈用的幾十千克高濃鈾，是靠電磁分離法生產的。建設電磁分離工廠的費用約3億美元（磁鐵的導電線圈是用從國庫借來的白銀制造的，其價值尚未計入）。钚239要在反應堆內用中子輻照鈾238的方法制取。供兩顆“內爆法”原子彈用的幾十千克钚239，是用3座石墨慢化、水冷卻型天然鈾反應堆及與之配套的化學分離工廠生產的。以上事例可以說明當時的工程規模。由于美國的工業技術設施與建設未受到戰爭的直接威脅，又掌握了必需的資源，集中了一批西方國家最好的科技人才，使它能夠較快地實現原子彈研制計劃。
德國的科學技術，當時本處于領先地位。1942年以前，德國在核技術領域的水平與美、英大致相當，但后來落伍了。美國的第一座試驗性石墨反應堆，在物理學家E.費密領導下，1942年12月建成并達到臨界；而德國采用的是重水反應堆，生產钚239，到1945年初才建成一座不大的次臨界裝置。為生產高濃鈾，德國曾著重于高速離心機的研制，由于空襲和電力、物資缺乏等原因，進展很緩慢。其次，A.希特勒迫害科學家，以及有的科學家持不合作態度，是這方面工作進展不快的另一原因。更主要的是，德國法西斯頭目過分自信，認為戰爭可以很快結束，不需要花氣力去研制尚無必成把握的原子彈，先是不予支持，后來再抓已困難重重，研制工作終于失敗。
1945年5月德國投降后，美國有不少知道“曼哈頓工程”
胖子（投向長崎的原子彈）
內幕的人士，包括以物理學家J.弗蘭克為首的一大批從事這一工作的科學家，反對用原子彈轟炸日本城市。當時，中國開始對日本進行反擊。美國在太平洋地區的進攻，幾乎全部摧毀日本海軍，海上封鎖使日該國內的物資供應極為匱泛。二戰通過硫磺島一戰，丘吉爾估計要徹底打垮日本，在日本本土登陸，至少還要付出100萬美軍和50萬英軍的生命。
這樣沉重的包袱美國背不起。也不想背，用原子彈是最好的方式。
美國在日本的廣島和長崎投下了僅有的兩顆原子彈，代號分別為“小男孩”和“胖子”。（史料記載，這場人類有史以來的巨大災難，造成了30萬余日本平民死亡和8萬多人受傷。原子彈的空前殺傷和破壞威力，震驚了世界，也使人們對以利用原子核的裂變或聚變的巨大爆炸力而制造的新式武器有了新的認識。
蘇聯在1941年6月遭受德軍入侵前，也進行過研制原子彈的工作。鈾原子核的自發裂變，是在這一時期內由蘇聯物理學家Г。Н.弗廖羅夫和Κ。А.佩特扎克發現的。衛國戰爭爆發后，研制工作被迫中斷，直到1943年初才在物理學家И。В.庫爾恰托夫的組織領導下逐漸恢復，并在戰后加速進行。1949年8月，蘇聯進行了原子彈試驗。1950年1月，美國總統H.S.杜魯門下令加速研制氫彈。1952年11月，美國進行了以液態氘為熱核燃料的氫彈原理試驗，該實驗裝置非常笨重。1953年8月，蘇聯進行了以固態氘化鋰6為熱核燃料的氫彈試驗，使氫彈的實用成為可能。美國于1954年2月進行了類似的氫彈試驗。英國、法國先后在50和60年代也各自進行了原子彈與氫彈試驗。中國在開始全面建設社會主義時期，基礎工業有了一定的發展，即著手準備研制原子彈。1959年開始起步時，國民經濟發生嚴重困難。同年6月，蘇聯政府撕毀中蘇在1957年10月簽訂的關于國防新技術協定，隨后撤走專家，中國決心完全依靠自己的力量來實現這一任務。中國首次試驗的原子彈取"596"為代號，就是以此激勵全國軍民大力協同做好這項工作。1964年10月16日，首次原子彈試驗成功。經過兩年多，1966年12月28日，小當量的氫彈原理試驗成功；半年之后，于1967年6月17日成功地進行了百萬噸級的氫彈空投試驗。中國堅持獨立自主、自力更生的方針，在世界上以最快的速度完成了核武器這兩個發展階段的任務。
現狀
美國對日本投下的兩顆原子彈，是以帶降落傘的核航彈形式，用氫彈爆炸飛機作為運載工具的。以后，隨著武器技術的發展，已形成多種核武器系統，包括彈道核導彈、巡航核導彈、 防空核導彈、反導彈核導彈、反潛核火箭、深水核炸彈、核航彈、核炮彈、核地雷等。其中，配有多彈頭的彈道核導彈，以及各種發射方式的巡航核導彈，是美、蘇兩國裝備的主要核武器。
通常將核武器按其作戰使用的不同劃分為兩大類，即用于襲擊敵方戰略目標和防御己方戰略要地的戰略核武器，和主要在戰場上用于打擊敵方戰斗力量的戰術核武器。蘇聯還劃分有“戰役戰術核武器”。核武器的分類方法，與地理條件、社會政治因素有關，并不是十分嚴格的。自70年代末以后，美國官方文件很少使用“戰術核武器”，代替它的有“戰區核武器”、“非戰略核武器”等，并把中遠程、中程核導彈也劃歸這一類。
已生產并裝備部隊的核武器，按核戰斗部設計看，主要屬于原子彈和氫彈兩種類型。至于核武器的數量，并無準確的公布數字，有關研究機構的估計數字也不一致。按近幾年的資料綜合分析，到80年代中期，美、蘇兩國總計有核戰斗部50000枚左右，占全世界總數的95%以上。其TNT當量，總計為120億噸左右。而第二次世界大戰期間，美國在德國和日本投下的炸彈，總計約200萬噸TNT，只相當于美國B-52型轟炸機攜載的2枚氫彈的當量。從這一粗略比較可以看出核武器庫貯量的龐大。
美蘇兩國進攻性戰略核武器（包括洲際核導彈、潛艇發射的彈道核導彈、巡航核導彈和戰略轟炸機）在數量和當量上比較，美國在投射工具（陸基發射架、潛艇發射管、飛機）總數和TNT當量總值上均少于蘇聯，但在核戰斗部總枚數上多于蘇聯。考慮到核爆炸對面目標的破壞效果同當量大小不是簡單的比例關系，另一種估算辦法是以一定的沖擊波超壓對應的破壞面積來度量核戰斗部的破壞能力，即取核戰斗部當量值（以百萬噸為計算單位）的2/3次方為其“等效百萬噸當量”值（也有按目標特性及其分布和核攻擊規模大小等不同情況，選用小于2/3的其他方次的），再按各種核戰斗部的枚數累計算出總值。按此法估算比較美、蘇兩國的戰略核武器破壞能力，由于當量小于百萬噸的核戰斗部枚數，美國多于蘇聯，兩國的差距并不很大。但自80年代以來，隨著蘇聯在分導式多彈頭導彈核武器上的發展，這一差距也在不斷擴大。而對點（硬）目標（見點目標）的破壞能力，則核武器投射精度起著更重要的作用，由于在這方面美國一直領先，仍處于優勢。