1941年12月7日珍珠港事件後美國開始介入第二次世界大戰。當時美國情報機構瞭解到納粹德國從1937年2月就開始執行“鈾計劃”，美國科學家強烈要求必須搶在納粹德國之前研製出原子彈。1941年12月6日美國正式啟動了代號為“曼哈頓”的絕密計劃。時任美國總統羅斯福賦予這一計劃以“高於一切行動的特別優先權”：在“曼哈頓”工程管理區內彙集了以奧本海默為首的一大批來自世界各國的科學家，在某些部門帶博士頭銜的人甚至比一般工作人員還要多，其中不乏諾貝爾獎得主。“曼哈頓”工程在頂峰時期曾經起用了53.9萬人，總耗資高達25億美元。這是在此之前任何一次武器實驗所無法比擬的。1942年初美國科學家已對原子彈的機制、應該努力的方向以及費用和時間等都有了大致的構想，但核研究的龐大工程已經超過了科學研究機構的能力。當時美國經濟已經轉向戰爭，沒有一家工業公司能在短期內完成有關生產設施的建設。美國核研究的負責人之一布什認為：只有軍隊以最高優先權才能在戰爭結束前生產出核原料來。1942年3月9日他在給羅斯福總統的報告中強調了原子彈的光明前景，提出把全部的研製和生產管理移交給軍隊。6月17日布什給羅斯福準備了一份將核計劃全部交給軍隊領導執行的詳細報告。羅斯福立即批覆了布什的報告。1942年12月2日在恩利克·費米的指導下芝加哥大學建成世界上第一個實驗型原子反應堆併成功進行了可控的鏈式反應。1943年春奧本海默領導的製造原子彈的工作在洛斯阿拉莫斯的實驗室開始。1945年7月12日一顆實驗性原子彈開始進行最後裝配。1945年7月16日5時30分美國在新墨西哥州離阿拉木郭多50英里的一片廣闊荒蕪地區成功進行了世界上首次核試驗，成為全世界第一個擁有核武器的國家。根據當時的記錄顯示：美國試爆的這枚全球第一枚核彈爆照中心所產生的溫度相當於太陽表面的一萬倍，這樣的高溫使周圍沙漠中的沙礫被熔成了玻璃。1945年8月6日美國飛行員保羅·提貝茲駕駛B-29超級空中堡壘轟炸機埃諾拉·蓋伊號在日本廣島上空投下了代號“小男孩”的原子彈，這是核武器在人類歷史上的首次實戰使用。三天後由查理士·斯文尼駕駛的B-29超級空中堡壘轟炸機“伯克之車”在長崎上空投下了代號“胖子”的原子彈，這是繼“小男孩”之後核武器在人類戰爭史上的再次使用，也是迄今為止最後一次在實戰中的使用。原子彈在廣島和長崎的爆炸瞬間就造成了12萬人的死亡，而在此後又陸續有人因遭受輻射而患病。1952年美國試爆第一枚氫彈，成為全世界率先擁有氫彈的國家。1992年美國政府宣佈暫停核試驗，至此美國總共進行了1032次核試驗，其彈道導彈的射程為13000公里。1992年美國核彈頭數量為9300枚，此後經過不斷削減到2012年的核彈頭擁有量為1722枚。

原子彈在廣島和長崎展現的巨大威力震驚了世界各國，蘇聯方面隨即迅速展開了發展核武器的緊急計劃：對德戰爭結束剛滿3個月的時候斯大林就下令成立隸屬於國防委員會的特別委員會，由貝利亞出任該特別委員會的主席。貝利亞作為蘇聯情報機構克格勃的領導人加緊蒐集各種關於美國原子彈研究的情報，很快克格勃的特工人員就通過參與過曼哈頓計劃的美國共產黨員莫里斯·科恩和德國共產黨員克勞斯·福克斯瞭解到了美國原子彈項目的諸多細節，蘇聯駐日大使館的武官還實地察看了廣島原子彈爆炸地的破壞狀況。此時蘇聯的核計劃剛啟動，要在短期內完成原材料的加工和濃縮處理存在諸多難以一時克服的問題。這時貝利亞想到了戰敗的德國人——儘管德國直到戰敗也沒研製出核武器，但在鈾礦石的加工和同位素分離方面的經驗是相當豐富的，德國甚至還製造過幾臺試探行核反應堆。貝利亞指示內務部隊在蘇聯佔領區盡一切可能蒐羅未被西方盟軍俘虜的德國核物理學家和工程師，最終有300餘名德國科學家和工程師被送往蘇聯。1949年8月29日4時蘇聯在哈薩克斯坦的米什克瓦核試驗場成功進行了首次核試驗，成為世界上第二個擁有核武器的國家。1953年蘇聯又成功試爆第一枚氫彈，儘管美國是率先發明氫彈的國家，然而蘇聯卻是全世界第一個成功把氫彈武器化的國家。1961年蘇聯成功引爆了當量高達5000萬噸的“沙皇炸彈”——這是迄今為止人類歷史上引爆過的威力最大的爆炸品。在勃列日涅夫時代蘇聯的核武數量一度超越過美國。1991年10月26日蘇聯政府宣佈暫停核試驗，至此蘇聯共進行了715次核試驗，其彈道導彈的射程為11000公里。蘇聯的核武庫不僅龐大，而且部署的範圍極其廣泛：其中80%部署在蘇聯最大的加盟共和國俄羅斯境內，另有20%部署在白俄羅斯、烏克蘭、哈薩克境內。蘇聯建有16個固定式戰略導彈發射場：俄羅斯境內部署有12個、哈薩克境內2個、烏克蘭境內2個。除此之外蘇聯還有12個移動式洲際彈道導彈發射基地：俄羅斯境內10個、白俄羅斯境內2個。蘇聯解體後各加盟共和國瓜分了蘇聯遺留的家當：蘇聯時代部署有核武器的俄羅斯、烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克四個加盟共和國都分得了一部分核武器，當然這其中俄羅斯繼承的份額自然是最大的，而烏克蘭所繼承的核武器質量和數量都僅次於俄羅斯：1270枚核彈頭、2480枚戰術核武器使烏克蘭成為僅次於美國和俄羅斯的世界第三核武器大國。當時的烏克蘭擁有製造生產洲際彈道導彈的能力，擁有三位一體的核打擊能力。烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克三個擁有核武器的前蘇聯加盟共和國自獨立之日起就處於俄羅斯和以美國為首的西方國家的地緣勢力爭奪之中，無論是俄羅斯或是西方都不希望有太多的國家擁有核武器，於是俄羅斯和西方都對這些國家採取軟硬兼施的外交政策：一方面憑藉自己更為雄厚的經濟實力和軍事實力對這些國家施加外交壓力，另一方面又承諾在這些國家放棄核武器後為其提供經濟援助和安全保護。冷戰結束後這些國家對核武器的戰略需求大為削弱，相反卻要為龐大的核武庫維護花費大量人力、物力、財力。最終烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克三國都宣佈放棄自己的核武器並加入《核不擴散條約》，最終前蘇聯加盟共和國只有俄羅斯繼承了蘇聯的有核國家地位。此後經過不斷削減到2012年俄羅斯的核彈頭擁有量為1499枚。

事實上美、蘇兩個超級大國儘管是世界上最早研製成功核武器的國家，然而最早開始研製核武器並不是美、蘇：從上文的介紹中我們可以知道美國的曼哈頓計劃是受到德國核武研究計劃的刺激，而蘇聯則借鑑了德國在鈾礦石的加工和同位素分離方面的豐富經驗，不過關於核武器最早的構想其實也不誕生於德國。早在1925年就有人提出利用某種超級能量進行爆炸和攻擊的設想——這個人的名字叫溫斯頓·丘吉爾。實際上英國是世界上第一個決定製造核武器國家。1940年美國總統羅斯福曾致信丘吉爾建議兩國共同研發原子彈，儘管這時的英國迫切渴望得到來自美國的援助，然而丘吉爾還是委婉地拒絕了這一建議。丘吉爾的底氣在於當時的英國自認在鈾裂變研究領域處於領先地位，所以不想和美國人分享研究成果。正是被譽為近代原子核物理之父的英國科學家盧瑟福發現了放射性輻射中的α射線與β射線並進行了散射試驗，從而認定了原子核的存在並提出了原子結構模型假說。在此基礎上他又利用放射性元素鐳中釋放的射線轟擊其他元素，首次實現了人工核轉變。1932年英國物理學家查德威克發現了中子，以後的科學家們正是利用中子這種“新炮彈”轟擊各種原子核的反覆試驗最終發現了利用中子轟擊鈾原子核而引起的鈾核鏈式反應。英國儘管在核研究領域起步最早，然而戰爭期間英國的精力完全被德國所牽制，而德國潛艇對英國海域的封鎖破壞了英國核武研究的科研環境，使其一系列核裂變試驗並未取得多大進展。在這種形勢下丘吉爾不得不於1942年6月20日在美國紐約的海德公園與羅斯福大臣合作研發原子彈的協議。事實上美國的曼哈頓計劃中有英國科學家的廣泛參與，然而美國人在核心領域還是對英國這個所謂的“合作伙伴”有所防備。英國只能獲取關於核武器的理論知識，而獲取製造原子彈的技術則是受限的。無情的事實上使英國意識到儘管美英曾在戰爭期間進行過有效的合作，然而當美國率先擁有核武器後是不會與英國分享核武優勢的，所以英國人必須依靠自己解決這一問題。1952年10月3日英國的第一顆原子彈在澳大利亞蒙特貝洛沿海的船上試爆成功，成為世界上第三個擁有核武器的國家。1956年英國在空軍裝備原子彈。3年後又成功爆炸了氫彈，成為世界上第三個爆炸氫彈並具有核作戰能力的國家。1991年11月英國政府宣佈暫停核試驗，至此英國總共進行了45次核試驗。此時英國擁有約400枚核彈頭，導彈射程達5310公里，此後削減為225枚核彈頭，而彈道導彈的射程則發展到12000公里。

美國、蘇聯、英國相繼在核武研究上取得的進展使法國坐不住了。事實上法國和英國一樣在核物理研究領域有著一定基礎：早在19世紀末20世紀初法國物理學家居里夫婦就發現了鐳元素，繼之居里夫婦的女兒、女婿又發現了前所未有的穿透性強的輻射現象並比美國人早幾星期發現了原子裂變。不過二戰前法國始終沒想到把自己在核物理研究方面的成果用於軍事目的。1944年7月14日法國抵抗運動領導人戴高樂訪問加拿大期間會見了三位流亡在此的法國原子物理學家。三人無一例外向戴高樂力陳法國研製原子彈的必要性和可能性。這時連國土尚未光復的法國根本不具備研製核武器的條件，直到二戰結束後的1945年10月戴高樂才成立原子能委員會。戰爭期間流亡海外的法國科學家們陸續回國參與到核武器的研究中。1958年4月11日法國政府正式簽署命令：製造一顆核裝置並於1960年第一季度爆炸。1960年2月13日法國在阿爾及利亞撒哈拉沙漠中的拉甘核試驗場成功進行了首次核試驗，成為世界上第四個擁有核武器的國家。1962年6月法國政府提出耗資達300多億法郎的“軍事裝備計劃法案”，其中60多億法郎用來建立核威懾力量。法國很快便建立起了由陸基導彈。潛艇導彈、飛機攜帶的核導彈所組成的三位一體的獨立核力量。1968年8月24日法國將3噸重的裝置懸吊在氣球上，在600米的高度引爆，產生的爆炸威力為260萬噸TNT當量。在這次試驗後不久的9月8日法國在南太平洋的穆魯羅瓦島爆炸了一顆120萬噸當量的氫彈。1964年7月23日戴高樂在記者招待會上發表了這樣一番聲明：“無核國家不得不接受兩個超級大國的戰略保護和政治控制。法國面對這種情況認為必須進行必要的努力使自己也成為核大國”。1996年9月5日法國政府宣佈在南太平洋地區永久停止核試驗，至此法國總共進行了210次核試驗。據法新社2015年2月19日報道：法國總統奧朗德首次披露了法國核武庫的構成情況——確認法國整體上擁有的核彈頭“不到300枚”，導彈射程達5310公里。

中華人民共和國為打破美、蘇等國的核壟斷於1959年6月開始啟動旨在研發本國核武器的"596工程"。在此之前蘇聯一度承諾將對中國的核研究提供支持，然而當時的蘇聯領導人赫魯曉夫撕毀了兩國間的協議，拒絕向中國提供原子彈樣品，此後工作在中國國防科技部門的蘇聯專家顧問們陸續撤走，於是中國的核武研究走上了獨立自主自力更生之路。黨中央先後從全國調集高、中級專家二百多人充實到核武器研究所，形成了以彭桓武、朱光亞、鄧稼先等人為核心的核武器研製骨幹力量。在濃縮鈾方面二機部採取兩條腿走路的辦法：一方面與科學院一起針對甲種分離膜和氟油等關鍵材料進行技術攻關；另一方面在核工業上打一場空前絕後的“人民戰爭”——全民找礦，土法煉鈾。甲種分離膜的顏值任務交給了科學院上海冶金所，由副所長吳自良親自牽頭。國家迅速從北京原子能所、瀋陽金屬研究所和復旦大學抽調50多名技術骨幹充實甲種分離膜課題攻關組。1963年中國成功地發射了第一枚自主研製的導彈。同年甲種分離膜研製成功且可以在中等規模以上的工廠批量生產。當初蘇聯專家告訴中國技術人員鈾分離膜的成本相當於等重量的黃金，然而中國技術人員用自己獨特的工藝技術使國產分離膜的造價被控制在等重黃金的1%左右。在進行關鍵材料的技術攻關的同時二機部也著手土法上馬，以便快速生產足夠的鈾材料。此時困擾我國核工業最大的問題是負責利用俗稱：黃餅“的重鈾酸銨ADU生產二氧化鈾的鈾水冶煉廠尚未完工。在1959年之前蘇聯蘇聯專家曾向中國提高了一個鈾水冶煉的被稱為414流程的生產工藝。但該流程工序繁多，不適於簡易生產。時任二機部第五研究所技術主任的鄧佐卿針對土法煉製中雜質含量高的特點對俗式414流程進行了精簡改革，省去了重鈾酸銨沉澱工序，贏得了時間並降低了萃取劑的用量。1964年10月16日15時中國在新疆羅布泊核試驗場成功進行了首次核試驗，成為世界上第五個擁有核武器的國家。兩年後中國成功開發出第一種可搭載核彈的導彈。接著早於法國在1967年於新疆羅布泊執行第六號實驗並試爆第一枚氫彈。美國從爆炸第一顆原子彈到爆炸第一顆氫彈用了7年時間，英國用了4年，蘇聯用了不到4年，法國則耗時長達8年，相比之下中國是用時最短的。中國的核武研究是在完全獨立自主的環境下進行的，中國的核武研究者用算盤完成了美、蘇、英、法用計算機完成的複雜運算。當時的美國報紙是這樣報道這一事件的”一個非白人的國家第一次打開軍事技術中最深奧的秘密。中國人已插足於一個過去只有西方民族才能進入的領域”。1996年7月30日中國政府宣佈暫停核試驗，至此中國的核試驗次數總計為45次。迄今為止中國未公佈自己擁有的核彈頭數量，彈道導彈的射程為14000公里，具有與美、俄一樣的空、地、潛全方位投射打擊能力。

至此聯合國安理會五大常任理事國已全部在一九六七年一月一日前成功製造並爆炸核武器，也只有這五個國家是當今國際社會公認的可以合法擁有核武器的國家。然而這並不能抑制其他國家發展這種大殺器的慾望：1974年印度成功在拉賈斯坦邦的博克拉進行了代號為“微笑的佛祖”的核試驗，使印度成為繼美、蘇、英、法、中之後全世界第六個有核國家。1998年5月11日和13日印度在西部博克蘭地區進行了5次小當量的核試驗後正式對外宣傳擁有核武器，外界估計其大約有100枚左右射程在4000公里內的核導彈。與印度存在領土爭端的巴基斯坦為保持同印度的戰略平衡從1972年就開始秘密研製核武器。90年代以後巴基斯坦的核武研製計劃被美國得知，美國為維持自身的核優勢隨即對巴基斯坦進行了制裁，這一度導致巴基斯坦的核武發展速度放緩，直到1998年5月28日巴基斯坦又成功地進行了5次核試驗。外界推測：巴基斯坦可能擁有15～25枚核彈頭，其彈道導彈的射程為1500公里。

2006年10月9日朝鮮官方通訊社報道稱：朝鮮成功進行了首次核武試驗。外界猜測朝鮮已經擁有2至3枚核彈頭，其彈道導彈的射程為1000～1500公里。2009年5月25日朝鮮進行了第二次地下核試驗。 2013年2月12日朝鮮進行了第三次地下核試驗。2016年1月6日朝鮮宣佈當天成功進行了氫彈試驗。2016年9月9日朝鮮在咸鏡北道吉州郡豐溪里成功進行第五次核試驗。2017年9月3日朝鮮在咸鏡北道豐溪里附近進行了第六次、也是威力最大的一次地下核試驗。

印度、巴基斯坦、朝鮮三國的核武器試爆都在一九六七年一月一日之後，因此被國際社會視為非法擁核國家——在一九六七年一月一日之後違背《不擴散核武器條約》公然進行核武器試驗，但對外界公開宣稱自己擁有核武器的國家。除了以上提到的有核國家、非法擁核國家之外還有一類疑似擁有核武器或具備在短時間內研發核武器技術，但尚未公開進行核試驗並對外界宣佈成為擁有核武器的國家：目前外界普遍推測以色列曾經進行過一次地下核試驗，但在印巴連續進行核試驗後以色列再次聲稱它不會最先把核武器引進中東地區。外界推測以色列可能擁有64～112枚核彈頭，其彈道導彈的射程為1500公里。伊朗從20世紀50年代開始了核能源開發活動，1980年美伊斷交後伊朗面臨來自美國及其盟國越來越大的戰略壓力，於是加大了軍備建設的力度。在這一過程中美國曾多次指責伊朗以“和平利用核能”為掩護秘密發展核武器，而伊朗方面則在2003年2月9日由時任伊朗總統的哈塔米以電視講話的形式宣佈：伊朗已在雅茲德地區發現鈾礦並已成功提煉出鈾，伊朗將開採鈾礦並將建設鈾轉換和鈾濃縮設施，以便建立一個完整的核燃料循環系統。至此伊朗核計劃已經發展到關鍵階段——即核燃料循環系統建設階段。這個系統建成後便可為伊朗的核電站和研究機構提供燃料，同時也可以進一步提高濃縮鈾的丰度，使伊朗能夠獲得武器級高濃縮鈾。這標誌著伊朗已邁進了核門檻，但要將這種核能利用技術真正轉化為核武器還有相當的距離，而國際社會已就伊朗核問題進行多方協調。多年來國際社會特別是亞洲國家一直懷疑日本已經擁有核武器，不過此事一直未能得到證實，事實上日本是擁有包括濃縮鈾和後處理鈈的幾乎完整核燃料生產能力的國家並具有在短時間內研製出核武器的技術。然而日本要想真正擁有核武器幾乎是不可能的——美國為實現對日本的戰略控制和維持自身核優勢絕不會允許日本發展核武，不要看現在美日關係緊密，事實上雙方潛意識深處都不曾忘記過珍珠港事件；深受日本侵略之苦的中、韓等亞洲鄰國也絕不會坐視日本發展核武；而日本作為迄今為止唯一遭受過核打擊的國家在其國內始終存在強烈的反核民意。

除此之外還有一類曾經擁有過核武器或核武研製技術，但後來主動放棄持有核武的棄核國家：1991年阿爾及利亞被發現正在建設一個能夠生產武器級核原料的核反應堆，後來阿爾及利亞同意把反應堆置於國際原子能機構的監控之下並加入了《核不擴散條約》。阿根廷和巴西兩國在20世紀80年代曾實施過核武器發展計劃，但在1990年後停止了核工程，此後兩國簽署了一項使拉丁美洲成為無核區的協定。1991年南非德克勒克政府拆除了南非的核武庫並加入了《不擴散核武器條約》。綜上所述而言：目前全世界公開宣稱擁有核武器的國家有美國、俄羅斯、英國、法國、中國、印度、巴基斯坦、朝鮮八個，其中美、俄、英、法、中五國為合法擁核，印、巴、朝為非法擁核。除此之外國際社會普遍認定以色列也是一個擁有核武器的國家，對此以色列方面既沒肯定也沒否定，因此外界一般也將以色列視為擁核國家之一。另外伊朗和日本具備作為核武器研究基礎的濃縮鈾，但距離真正擁有核武器仍有相當的距離。作為前蘇聯加盟共和國的烏克蘭、白羅斯、哈薩克三國也曾是有核國家，不過這三國的核武器現已全部銷燬。阿爾及利亞、阿根廷、巴西、南非四國曾有過自己的核武研發計劃：其中阿爾及利亞、阿根廷、巴西三國的核武計劃停留在核反應堆層面並最終放棄，只有南非曾擁有過自己的核武庫：南非早在1977年就被認為製造了核試驗裝置，1980年開始具備“槍式”原子彈的能力。然而南非因為內部政治原因在1987年開始考慮放棄核武器，1991年南非拆除了自己的核武庫並加入《不擴散核武器條約》，因此當今世界一般公認只有美國、俄羅斯、英國、法國、中國、印度、巴基斯坦、朝鮮、以色列九國擁有核武器。

回顧世界各國的核武研發歷程不難發現：1945年美國率先成為世界上首個擁核國家，此後蘇聯、英國、法國、中國相繼於1949年、1952年、1950年、1964年擁有了自己的核武器。1968年7月1日《不擴散核武器條約》分別在華盛頓、莫斯科、倫敦開放簽字，當時有59個國家簽約加入。該條約的宗旨是防止核擴散，推動核裁軍和促進和平利用核能的國際合作。該條約於1970年3月正式生效。截至2003年1月條約締約國共有186個。根據《不擴散核武器條約》第九條第三款規定：本條約所稱有核武器國家系指在一九六七年一月一日前製造並爆炸核武器或其他核爆炸裝置的國家。也就是說只有在1967年1月1日前研製併成功試爆過核武器或其他核爆炸裝置的國家才是合法擁有核武器的國家，而滿足這一標準的實際上只有作為聯合國安理會五大常任理事國的美、蘇、英、法、中。然而其他國家並沒停止自己研製核武器的行動：在1967年之後印度、巴基斯坦、以色列、南非四國也相繼擁有了自己的核武器。蘇聯解體後俄羅斯、烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克斯坦四個前蘇聯加盟共和國都繼承了蘇聯部分核武器，擁有核武器的國家達到了12個。當時烏克蘭憑藉其所擁有的1270枚核彈頭、2480枚戰術核武器成為僅次於美國和俄羅斯的世界第三核武器大國，同時烏克蘭還擁有製造生產洲際彈道導彈的能力，擁有三位一體的核打擊能力。

從1945年美國率先研製成功核武器到上世紀90年代初世界上有核國家的數量其實是呈上升趨勢的。1991年南非拆除了自己的核武庫並加入《不擴散核武器條約》，世界上擁有核武器的國家數量減少到11個。蘇聯的解體徹底摧毀了原蘇聯加盟共和國的工業體系。蘇聯時代的工業體系是分佈於各加盟共和國的：有的負責提供原料，有的負責生產零件，有的負責組裝，然而蘇聯的解體使本來完整的工業體系被撕裂。俄羅斯在蘇聯解體後因為國力的削弱而不得不自廢武功：基輔號和明斯克號航母被迫提前退役，如今俄羅斯只保留了一艘航母。既然連俄羅斯這個龐然大物在蘇聯解體後的那段困難時期都不得不自廢武功，那麼烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克斯坦自然也無法避免這一命運。烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克斯坦的核武器直接繼承自蘇聯，而這三國自己卻缺乏控制、測試、再生產體系以及維護體系。事實上和航母一樣：核武器是大國才玩得起的遊戲，因為核武器的生產研發以及後期的維護保養知識儲備、有效的組織能力及財政能力。隨著烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克斯坦三國放棄核武器使全世界擁有核武器的國家數量減少至8個。2006年朝鮮核試驗成功後全世界擁有核武器的國家數量又增至9個。此外伊朗和日本在核研究領域具備較大優勢，不過兩國距離成為真正的核國家仍有相當的距離。