ウラン濃縮プラント・プルトニウム生産炉の各巨大工場の建設、そしてオッペンハイマーが率いるロスアラモス研究所には優秀な科学者を全米から集め、アメリカの軍・産・学の総力を挙げた国家プロジェクトとなった。最初の原爆は1945年7月16日に完成（3個）し、そのうち1個（ガジェット）によりアラモゴードの砂漠で世界最初の原爆実験を実施した。残りの2つの原爆が日本に投下された。詳細はマンハッタン計画を参照。
世界初の原子爆弾の実使用は、1945年8月6日午前8時15分に広島に対して濃縮ウラン型原爆リトルボーイのB-29（エノラ・ゲイ）からの投下で実行された。ついで1945年8月9日午前11時2分には長崎に対してプルトニウム爆縮型原爆ファットマンがB-29（ボックスカー）から投下された。
原爆投下により両都市は一瞬にして壊滅し、数十万人が殺害された。原爆炸裂によるキノコ雲の頂点は17kmと成層圏に達し、雲からは放射性物質を含む黒い雨が30kmの範囲に降り注ぎ、被曝の人的被害を拡大した。詳細は広島市への原子爆弾投下、長崎市への原子爆弾投下を参照。
原爆の成功に軍当局は喜んだものの、原爆使用の実体が明らかになってくると世界は恐怖し、原爆開発に関係した科学者からも原爆反対の声があがっていくことになる。
核の力によるアメリカの単独覇権は想定通りとならなかった。予想以上に早く、1949年にソ連が原爆実験に成功したからである。これ以降、世界は核の均衡の上の冷戦の時代に突入する。
なお、ソ連の原爆開発には、CFR（外交問題評議会）メンバーであり、ルーズベルト政権の商務長官兼任大統領主席補佐官であったハリー・ホプキンスが、意図的にソ連に原爆技術を移転したと言う、レーシー・ジョーダン（George Racey Jordan）少佐のアメリカ議会委員会での宣誓供述がある。[2]
冷戦時代の核競争核実験を至近距離で見つめる兵士たち。核攻撃直後の被爆地における作戦行動能力の調査という名目であったが、人体への影響を調査する実験体であったとも言われる。アメリカ合衆国（青）とソビエト連邦（ロシア、赤）の核兵器保有量の推移（1945年-2005年）
冷戦時代には、アメリカ合衆国とソビエト連邦の間で核兵器の大量製造、配備が行われた。イギリス、中国、フランスも核兵器を開発、保有した。核兵器の量は地球上の全人類を滅ぼすのに必要な量を遥かに上回っていたとされる。また、核による先制攻撃を通じて相手国に致命的なダメージを負わせ、戦争に勝利するという戦略を不可能にするべく、相手国の攻撃を早期に探知し、報復するためのシステムが構築された。この戦略は相互確証破壊（Mutually Assured Destruction, MAD）と呼ばれ、冷戦期の核抑止をめぐる議論で重要な役割を果たした。
また核兵器の小型化にともない冷戦期には戦略的な使用のみならず戦場などで使用される戦術核兵器も開発され、同時代のミサイルの信頼性の低さを補うための対空核ミサイル、潜水艦を確実に沈めるための核魚雷、敵部隊を一撃で殲滅するための核砲弾など、ありとあらゆるものの核兵器化が行われた。戦略爆撃機、弾道弾搭載原子力潜水艦（SSBN）、大陸間弾道弾（ICBM）の三つは核兵器の三本柱（トライアド）といわれた。
核兵器の大量使用の後には、地表は放射性物質で汚染され、また放射性物質を含む灰（放射性降下物）が降ることになる。巻き上がった灰によって日光が遮られ、地表の気温が低下し、植物が枯れ、人間が生存できない環境になることが指摘された。このような状態は核の冬と呼ばれる。この核の冬を生き延びるための手段は用意されなかった。爆心からある程度離れた地点で、核爆発時の熱、爆風、放射線を逃れ、核爆発後の放射能の減衰を待つための核シェルターと呼ばれる地下施設が考案されたのみである。
核兵器の恐怖や核戦争のリスク、放射線による殺傷の残酷さなどは知識人、作家、政治家、政治活動家、一般市民など多くの人々の関心を呼んだ。そのため反核運動が生まれた。
崩壊寸前の旧ソ連とアメリカ合衆国は、1991年7月に第一次戦略兵器削減条約（START1）を締結し、核兵器の削減が進んでいた。ソ連が崩壊した後も、現在のロシアが戦略兵器削減条約を引き継ぐ形で進行していた。しかし第二次戦略兵器削減条約は1993年に条約を締結したものの発効せず、第三次戦略兵器削減条約の交渉も不調となった。
