在1938年年底，納粹德國科學家奧托·哈恩和弗裡茨·施特拉斯曼發現核裂變現象，此現象也被刊登於科學雜誌上。至1939年9月，科學界普遍同意製成原子彈的可能性，唯技術細節尚未明朗。除了德國外，當時研究原子彈的國家另有法國、美國、蘇聯、英國和日本。
軸心國
納粹德國的一座實驗用反應堆
德國因為漢堡大學的教授向德國軍方進言的要求而研發核武器。1939年9月26日，德國軍備規劃局制定了鈾規劃，並著手開始進行對核武器的研製，以維爾納·海森堡為首組成特別小組。接著在1940年於德國佔領的挪威設立由法本公司管理的重水製造廠以大量生產重水來製造鈈，也研究著如何分離鈾-235。1941年尾，由於德國進攻蘇聯的作戰沒有達到期望的結果，戰爭轉為長期，絕大多數的資源被移到急需的坦克和飛機上，並得到了“3年內無法將原子彈實用化”的結論。1942年初，德國取消了研究計劃，雖然研究小組仍持續在工作並建造了數座小型實驗用核反應堆，但納粹德國的核武研究計劃就停留於理論上，已無有系統的生產計劃。雖然後來生產鈈的挪威工廠被英國突擊隊摧毀，但實質上對德國核武開發沒有決定性影響。
與此同時，日本也正籌劃他們的核武器研製計劃。1941年5月，日本陸軍大臣東條英機批准了空軍科技署的“製造鈾彈報告”，近百名科學家在仁科芳雄的帶領下開始執行“仁方案”。而此時，日本的核計劃卻遇到阻力。由於國內缺乏可供研究的“鈾”，且由於各大研究所並未合作而使得資源分散、進度緩慢。日本的核計劃在1943年初就宣告終止，原因是日本估計即使是進行單一的鈾分離工程也必須消耗全國10％的電力、半年的銅產量和十年的時間完成其必要設施，代價過於龐大。但研究人員仍持續在工作，1945年5月，德國U-234潛艇因德國戰敗，在大西洋上浮，向盟國投降，所載運往日本的540kg氧化鈾235被美軍秘密截獲並被用於曼哈頓計劃，並可能成為以鈾235為燃料的小男孩（Little Boy）原子彈的材料來源；美國對外宣稱，其於馬六甲被美艦擊沉；日本之後也因為盟軍越來越頻繁的轟炸，研究工作一直受阻，核武發展直到戰爭結束都未脫離理論階段。
同盟國
由於納粹德國對德國本土的猶太人的迫害，使得許多猶太人科學家逃到美國避難；在當中，很多人提醒美國當局，德國人正在製造一種“超級武器”。
1939年，匈牙利科學家利奧·西拉德擔心德國製造出核武器，希望美國政府能夠先行研製出，但是當他找到一些官員時，他們認為只是天方夜譚，最終他只得找到愛因斯坦。
1939年8月2日，在愛因斯坦與其他幾名科學家一同致信美國總統羅斯福，建議美國政府務必在納粹德國前研製出核武器。羅斯福並沒有對此表示重視，而負責轉交信件的羅斯福的科學顧問亞歷山大·薩克斯擔負起了說服羅斯福的責任，他引用了一個著名的例子：當年拿破崙沒有采取富爾頓蒸汽船的建議，使其沒有建立起強大的海軍，最終不敵英國海軍。羅斯福被薩克斯說服，決定研製核武器。
1939年10月19日，羅斯福正式簽署了研製原子彈的文件，兩日後，美國成立了“研究原子武器的委員會”，代號為S-11。
1941年12月7日，日本轟炸的美國海軍軍港“珍珠港”，這使得美國政府更加下定決心加速執行他們的“核計劃”。1942年6月，美國原子彈研製計劃正式開始，由於總部設在美國紐約的曼哈頓區，所以此項計劃又被稱為“曼哈頓計劃”。同月，美國總統羅斯福與英國首相丘吉爾在華盛頓會晤，兩國決定聯合研製原子彈，即把英國原有的“合金管”計劃融入到“曼哈頓計劃”中。而此前逃亡到英國的一些法國科學家此時也加入到原子彈研究中。
新墨西哥州的蘑菇雲
1942年，洛斯阿拉莫斯實驗室在新墨西哥州一望無際的沙漠上建立了起來。
1945年7月初，美國終於研製出了三枚原子彈，他們立即準備著手實驗。當得知要進行原子彈實驗時，美國總統杜魯門推遲了波茨坦會議時間，因為其希望該武器能夠在波茨坦會議期間爆炸，以提高美國的國際地位。
7月15日，杜魯門到達波茨坦。7月16日5時29分45秒，人類歷史上的首枚原子彈在阿拉莫戈多沙漠上爆炸。實驗極其成功。
長崎爆炸騰起的蘑菇雲
在1943年後，美軍在太平洋戰場上損失慘重，硫磺島戰役和沖繩島戰役使得美軍傷亡巨大，經過這幾場戰爭的傷亡比率推算，美軍需要犧牲掉100萬陸戰隊員的生命才能奪下日本本土，所以在得知原子彈成功爆炸後，軍方極力要求對日本人使用這種新式武器。
但是此時許多科學家卻開始反對美國使用原子彈，奧本海默認為日本的失敗已是必然，沒有必要使用原子彈。一些物理學家也聯名致信要求美國不要使用原子彈。
但是美國堅持使用原子彈，除了希望能夠儘快解決太平洋戰爭以外，也希望削弱蘇軍對日作戰的意義。
1945年7月30日，美英中三國在波茨坦向日本發出最後通牒，威脅說日本如果不立即投降，“日本即將迅速完全毀滅”。日本於同日拒絕接受波茨坦公告。
原本美國政府原本希望在存備更多原子彈後才開始對日本城鎮進行轟炸，然而蘇聯遲遲不向日本宣戰逼使得哈瑞·S·杜魯門只能夠提前使用原子彈投入作戰。
波茨坦公告後，杜魯門在回國途中向軍方下達命令：“去投擲那顆大炸彈吧，現在沒有任何選擇的餘地了。”
美國投向廣島和長崎的兩顆原子彈都是從提尼安島裝載起飛的。現在島上留有當時安放原子彈的鐵架等遺蹟。
1945年8月6日早上8點15分，艾諾拉·蓋號在廣島上空投下人類歷史上第一枚用於戰爭的槍式原子彈小男孩原子彈，造成廣島十萬多居民死亡。
1945年8月9日，B-29轟炸機大貨櫃在長崎上空投下收聚式原子彈胖子原子彈，導致長崎市近四萬人直接死亡，總計十四萬人員死傷。
1945年8月15日日本標準時間中午12點，裕仁天皇宣佈日本戰敗，第二次世界大戰結束。
二次世界大戰之後
軍事博物館內的我國第一顆原子彈的模型
現擁有核武器的國家
蘇聯得知美國成功研製原子彈後，根據諜報立即展開製造原子彈的緊急計劃，並於1949年試爆第一枚原子彈。
英國在參考曼哈頓計劃的情況下，於1952年試爆了自己的原子彈。
1960年，法國試爆原子彈成功。
我國在原子彈製造初期獲得少量蘇聯援助，後來在旅美歸來的鄧稼先帶領下，於1959年6月開始研製核武器，1962年成功，於1964年引爆了自己的原子彈。
1974年，印度引爆了自己的原子彈。
巴基斯坦也於1997年試爆了自己的核武器。
朝鮮則於2006年10月，2009年5月，2013年2月，2016年1月和9月、2017年9月3日共進行了六次核試驗。
2018年4月21日，據朝中社報道，朝鮮決定自4月21日起停止核試驗。5月12日，朝鮮外務省發表公報說，朝鮮將於2018年5月23日至25日擇期廢棄北部核試驗場。
2018年9月6日，據韓聯社消息，金正恩承諾實現半島無核化。
以色列廣泛認為是世界上第六個發展核武器的國家，並且估計自從1967年以來便可能開始進行核武器的研發工作，還是全球唯一擁有核武但不使用核電的國家，而國際原子能總署總幹事穆罕默德·巴拉迪也公開表示自己認為以色列為擁有核武器之國家。
根據俄羅斯對外情報局的估計，在1970年至1980年其間以色列應該秘密地生產大約20枚的核武器。2004年時，美國國防部依據以色列所擁有可以生產核武器的原料量，推測以色列可能已經擁有82枚核武器可以投入使用。而根據美國自然資源保護協會（Natural Resources Defense Council）以及美國科學家聯盟的統計，以色列現今所擁有的核武器存備量大約擴展到75枚至200枚左右。而在2008年5月時，前美國總統吉米·卡特則表示：「以色列擁有150枚或者更多枚的核彈頭。」此外儘管面對龐大的國際壓力，以色列政府仍然拒絕簽署《不擴散核武器條約》，並且表示這違背以色列自身的國家安全利益。
曾經擁有核武器的國家
白俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯坦（繼承蘇聯）後移交俄羅斯。
南非最終於1980年代時開始生產自行研發的槍式原子彈（Gun-type fission weapon），並且開始籌劃自己作為嚇阻使用的核武器存備量。而在1979年9月22日時於印度洋所發現有疑似進行核武器測試的跡象，便常被認為是南非與以色列共同展開核武器測試。而依據蘇聯間諜阿列克謝·米哈伊洛維奇·科茲洛夫（俄語：Козлов, Алексей Михайлович）所提供的情報指出，由於以色列自身缺乏足夠的土地才與南非共同策畫這次核試驗。
1989年時由於預期南非種族隔離廢除將會在1990年代以前，為了迫使非洲人國民大會改組及解除武裝，也為防南非核技術在白人政府被推倒後，因無人管理而可能被新政權出售的疑慮，南非總統弗雷德裡克·威廉·戴克拉克於1990年時宣佈銷燬當時所擁有存放在比勒陀利亞的7枚核彈，成為世界上第一個自願放棄所擁有核武器的國家。銷燬核武器的工作於1993年執行完成，並且在隔年由國際原子能總署加以確認。之後在1991年時，南非正式簽署了《不擴散核武器條約》。
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