核戦争の勃発には基本的に二つの要因があると考えられている。危険性のエスカレートと、奇襲攻撃によるものである。ここでは主な要因について述べる。
先制攻撃は核保有国が存在する限り常に存在する可能性である。相手国が核兵器で攻撃される危険性を感じれば、核戦争における初戦の優位を獲得するために先制攻撃を行う可能性がある。
危険度のエスカレーションはそれぞれの国家の軍隊が危機的状況において相互に自らの優位性を争奪する過程で軍事的な威嚇のレベルを上げる際に発生する。ゆえに冷戦末期の国際政治において超大国の重要な権益にかかわる地域の紛争にかかわってはいけないという不文律があった。
優位性の喪失は相手国が軍事的優位性を確保した場合に、自国にとって不利な軍事力バランスの打破を期待して発生するものであり、優位性を完全に喪失する前に先制攻撃を実行しようという考え得る。冷戦期の米国の戦略防衛構想はこの問題を取り扱っていた。
技術的偶発は意思決定の考えとは無関係に核戦力が行使されて核戦争が勃発するものである。偶発事件には非常にさまざまな種類がある。大陸間弾道ミサイルに搭載される核兵器は作動解除リンクシステムで管理されているが、潜水艦発射弾道ミサイルの核弾頭は技術的制約上システムの管理下にない。ただ責任者全員の同意がなければ発射できない仕組みになっているが、収拾不可能な緊急事態において核兵器が使用される危険性がわずかに残っている。
不合理な要素は、情緒不安定・精神疾患・過激な宗教やイデオロギーなどの要素を持った非合理的な政策決定者によってもたらされる。彼らにとっては、多大な人命や財産の損失よりも、妄想によって産まれた敵の打倒や、信奉する神の勝利の方が優先される可能性がある。すなわち国際社会に上記のような人物が統治する核保有国が存在する限り、不合理な要素によって核戦争が勃発する危険性は存在する。
核戦争が始まる核戦力を用いた攻撃にはいくつかの形態が考えられる。
対都市攻撃：第二次世界大戦中の都市爆撃と同様、相手国の都市を破壊することで、国民戦意や継戦能力、インフラを破壊することを狙った核攻撃である。広島・長崎への核攻撃はこれに分類される。特に冷戦期間中、核保有国・非核国の区別なく各国でシミュレートされ、他の形態の核攻撃と比べて被害が際立って膨大なことから最も恐れられた攻撃である。主に民間人やその住居など、非軍事目標を狙うため非人道性は高いが、一旦大規模な核戦争が起きると、後述する対核戦力核攻撃によって、数時間から数日のうちに彼我の核戦力が沈黙し、以後選択の自由は失われてしまう為、保険的な目的で核戦争勃発時にこうした攻撃が発生する可能性は、今でも高いと考えられている。冷戦期間中は米ソ両国で検討されプラン化されていた。
対核戦力先制攻撃：相手国の核戦力の基盤であるミサイルサイロ、潜水艦基地などに対する核戦力を用いた先制攻撃である。ただし、外洋をパトロールする潜水艦には核兵器が搭載されており、その破壊は難しいため、不完全なものとなる可能性が非常に高い。
対通常戦力先制攻撃：相手国の通常戦力、陸軍・海軍・空軍の駐屯地・基地に対する核戦力を用いた先制攻撃である。この攻撃が行われる場合は、その後に相手国の戦力を完全に無力化するために通常戦力を用いた攻撃が計画されている可能性が高い。
対産業攻撃：発電所、エネルギー施設、産業施設などの経済拠点に対する核戦力を用いた攻撃である。ただし、この攻撃を実施する場合は、目標地域に民間人がいるため、多大な死傷者が出る。
対司令部攻撃：首都、統治機関、軍隊の参謀本部などの司令部に対する核戦力を用いた攻撃である。この攻撃は理論上、相手国の報復攻撃を阻止することを目的としたものであるが、軍指導部は核兵器発射権限を各部隊に委譲できるため、実際に指揮系統を機能停止にし、反撃を封じ込めることは非常に難しい。
報復攻撃：先制攻撃を受けた場合、相手国の核戦力（場合によっては産業・司令部に対して）を無力化するために核戦力を用いて報復のために攻撃を実施する。報復攻撃には主に二つの方法がある。
警報時の発射（LOW）：核兵器が爆発する前に報復攻撃を実行することである。基本的にこの攻撃は人工衛星やレーダーを用いたミサイル警報システムが整備されている必要性がある。
被爆下の発射（LUA）：核兵器が爆発したことを確認してから報復攻撃を実施する。さまざまなセンサーや人工衛星などで情報を確認し、攻撃を実行する。
核テロ攻撃：スーツケース程度の小型の核兵器を用いた攻撃を指す。軍事的な分類ではないが、都市で実施すれば高層ビルを崩壊させ、周囲の建築物に多大な被害を与えるという非常に大規模な攻撃が可能であり、非常に危険性が高い（テロリズムを参照）。
核戦争は予想されうる事態に過ぎず、歴史的な事例は存在しない。また戦争には多数の不確実性が生じ、その影響も攻撃方法、使用兵器、攻撃対象の位置、環境、人口などさまざまな要素が関連するため科学的な予測は難しい。核爆発の効果を参照。
敵方における核爆発はなかったものの、自らの勢力の武力を誇示する目的で、核兵器の開発、核実験が行われた。
大気圏内核実験は、実験に参加した兵士および核実験場近くに居住する米国市民を蝕み、放射線障害を訴える被災者が発生した。ネバダ砂漠には大規模な核実験場があり、当時、西部劇の野外撮影が行われていた。このため、西部劇関係者には癌や白血病の患者が多いとされる。（参考文献：「ジョン・ウェインはなぜ死んだか」）
その他、冷戦中には、偶発的核戦争の危機が現実に幾度か存在した。キューバ危機が有名であるが、他に1983年のペトロフ中佐の事件、エイブル・アーチャー83などが知られる。
南アジアのインドとパキスタンは、三度の印パ戦争を行い、現在でも緊張状態にある。