thumb|350px|Az amerikai és a szovjet/orosz nukleáris robbanófejek számának alakulása
A nukleáris fegyverkezés a hidegháborús fegyverkezési verseny során indult meg az Egyesült Államok, a Szovjetunió, illetve szövetségeseik között. Az amerikaiakon és a szovjeteken kívül más országok is fejlesztettek nukleáris fegyvereket, bár ezek közül senki sem gyártott robbanófejeket akkora mennyiségben, mint a két szuperhatalom. A hidegháború utáni enyhülés során több fegyverzetkorlátozási megállapodás is létrejött, amelyek eredményeképpen a nukleáris fegyverkezés stabilizálódott, és némi csökkentésre is sor került. Ennek ellenére 2022-ben is az emberi civilizáció és a földi bioszféra nagy részének elpusztítására többszörösen elegendő nukleáris fegyver áll rendszerben a világon.
Második világháború thumb|right|250px|A Nagaszakira ledobott Fat Man gombafelhője; 1945. augusztus 9. right|thumb|250px|Klaus Fuchs atomkém fényképe a Manhattan-programhoz kiadott belépőjéről; 1945
thumb|right|250px|A Trident C–4 tengeralattjáróról indítható interkontinentális ballisztikus rakéta bevetéseinek különböző fázisai; 1981. október 2. Az első atomfegyvert az amerikaiak a második világháborús Manhattan terv keretén belül készítették, majd a csendes-óceáni hadszíntéren vetették be a tengelyhatalmak ellen.Key Issues: Nuclear Weapons: History: Pre Cold War: Manhattan Project Az akkor amerikai szövetséges Szovjetunió vezető tudósai tisztában voltak az atomfegyverek elvi lehetőségével, és lépéseket is tettek a gyakorlati megvalósítás irányába.The Soviet Nuclear Weapons Program
A Szovjetuniót az amerikai atomprogramról hivatalosan csak a potsdami konferencián tájékoztatták, amikor 1945. július 24-én Harry S. Truman elnök beszámolt Sztálinnak.The Potsdam Conference between allied forces Atomic Bomb: Decision - Truman Tells Stalin, July 24, 1945 Az amerikaiak annyira még bíztak a szovjetekben, hogy ez az információ a németekhez nem juthat el, de a szövetségesi kapcsolat ellenére egyre nőtt a szovjetekkel és azok jövőbeli terveivel szembeni bizalmatlanság. Már a háború alatt is számos amerikai kormánytag és katona tekintett a Szovjetunióra jövőbeli potenciális ellenségként.
A szovjetek az amerikai atomprogramba beépült kémhálózatuknak köszönhetően részletes ismereteket szereztek. Klaus Fuchs és Theodore Hall közreműködésévelKlaus Fuchs: Atom Bomb Spy Sztálin az amerikai program minden áttöréséről tudott.Los Alamos National Laboratory: History: People of Wartime Los Alamos: Spies Amikor Potsdamban a Manhattan-programról Truman tájékoztatta Sztálint, akkor az amerikai elnök azon lepődött meg, hogy a generalisszimusz mennyire nyugodtan fogadta a híreket, és úgy vélte, hogy Sztálin talán nem is értette meg a bejelentés fontosságát. Sztálin azonban akkor már régóta tudott a programról – még régebb óta, mint maga Truman, akit csak elnöki beiktatása után tájékoztattak a szupertitkos Manhattan-programról.
1945 augusztusában Truman parancsára japán városok ellen vetettek be először atomfegyvereket. A Little Boyt Hirosimára, a Fat Mant Nagaszakira dobta le két B–29 Superfortress, az Enola Gay és a Bock's Car.
A hidegháború kezdeti éveiben A második világháborút követő évek során az Egyesült Államok abban a tudatban folytatta atomfegyverkezési programját, hogy az atomfegyverek terén monopóliummal rendelkezik a tudományos háttér és a nyersanyagok terén. Azokban az években úgy vélték, hogy az urán meglehetősen ritkán fordul elő, ám ez a feltételezés a későbbiekben hibásnak bizonyult. Az amerikai vezetés ezért úgy gondolta, hogy az atomfegyverkezési monopóliumának köszönhetően engedményeket csikarhat ki a Szovjetunióból.
A Szovjetunió eközben gőzerővel dolgozott a saját atomprogramján, az első nukleáris fegyver kifejlesztésén. A háború alatt a szovjet erőfeszítéseknek gátat szabott az urán hiánya, de a háború után több kelet-európai országból tudtak uránt szerezni a belföldi kitermelés megkezdése előtt. Az amerikai előrejelzések szerint a Szovjetunió az 1950-es éve közepére fejleszti majd ki a saját atombombáját, ezért a nyugati világot sokkolta az 1949. augusztus 29-én elvégzett első sikeres szovjet atomkísérlet. A 22 kilotonnás RDSZ–1 nagyjából a Nagaszakira ledobott amerikai bomba másolata volt.
Mindkét szuperhatalom gigászi méretű erőforrásokat szentelt az atomfegyver-arzenáljának minőségi és mennyiségi javítására. Mindkét ország gyorsan belekezdett a hidrogénbomba kifejlesztésébe, amely első példányát 1952. november 1-jén az amerikaiak robbantották fel. A szovjetek ismét sokkolták a Nyugatot azzal, hogy a következő év augusztusában felrobbantották a saját, repülőgépről is bevethető termonukleáris fegyverüket – bár ez utóbbi nem számított "igazi" többlépcsős hidrogénbombának, mivel az csak 1955-re készült el. A szovjet hidrogénbomba szinte teljesen saját fejlesztés eredménye volt, mivel a kémhálózatuk tagjai Amerikán belül csak a hidrogénbomba korai (és később zsákutcának bizonyult) változatain dolgoztak.
Az atomfegyver önmagában azonban nem sokat ér, ha azt nem lehet célba juttatni. Ezen a téren jelentős áttörést az interkontinentális ballisztikus rakéták 1950-es évek közepén bekövetkezett megjelenése jelentett. 1957. október 4-én a Szputnyik fellövésével a Szovjetunió megmutatta a világnak, hogy rakétáival a világ bármelyik pontjára képes csapást mérni. Az USA első ilyen rakétáját 1959. október 31-én lőtte fel. Az űrverseny a tudományos kutatás égisze alatt az atomfegyvereket célba juttató rakétatechnika fejlesztéséről is szólt.
Szintén ebben a korszakban fogalmazódott meg először az atomfegyverek elleni védekezés kérdése. Mindkét nagyhatalom radarhálózatot telepített határaira, amelyekkel a támadó bombázókat és rakétákat kívánták észlelni. A bombázók elfogására megkezdődött a hangsebesség feletti elfogóvadászok kifejlesztése, az interkontinentális rakéták ellen pedig az ellenrakétáké. Mindkét nagyhatalom vezetősége saját védelmére óriási földalatti bunkereket épített, a népességet óvóhelyek építésére szólították fel, valamint a polgári védelem segítségével felkészítették egy atomtámadásra.
A kölcsönösen biztosított megsemmisítés elve
A védelmi tervezetek azonban korántsem biztosítottak száz százalékos védelmet, és az 1950-es évek végére a USA és a Szovjetunió is annyi atomfegyverrel rendelkezett, amennyivel a másikat teljesen el lehetett volna pusztítani. Mindkét fél kifejlesztette a "második csapás" képességét, azaz egy őt ért, megsemmisítő első csapás után is képes maradt egy másik felet is megsemmisítő, főleg tengeralattjárókról indított atomtámadásra. Ez a kölcsönösen biztosított megsemmisítés elveként vált híressé: mindkét fél tudta, hogy a másik megtámadása öngyilkossággal érne fel, ezért (elméletileg) ez visszatartotta a támadástól.
A szovjetek és az amerikaiak is azt remélték az atomfegyverektől, hogy segítségükkel a másik féltől (vagy például Kínától és Indiától) engedményeket csikarhatnak ki. Az atomfegyverek bevetése azonban akkora kockázattal járt, hogy felmerült a bevethetőség racionalitása. Egyes katonai vezetők ennek ellenére szorgalmazták az atomfegyverek bevetését, például Douglas MacArthur a koreai háború során – Truman és Eisenhower azonban ellenállt.
Az egyik fél sem tudta, hogy a saját arzenálja mekkora volt a másikéhoz képest. Az amerikaiak az 1950-es években hátrányban érezték magukat, feltételezték egy bomber gap létezését, miszerint a szovjeteknek lehengerlően több interkontinentális bombázójuk volt. Az 1960-as évek amerikai elnökválasztási kampányában ez a téma ismét előkerült, ezúttal a missile gap rakétatechnológiai-hátrány képében. A szovjet hatalmi struktúra ezzel ellentétben viszont a saját vezetése előtt megpróbálta eltúlozni a szovjet fegyverek képességeit és számát.
Az 1960-as évek elején az Egyesült Államokban felmerült annak a kérdése, hogy az atomfegyverek egyáltalán működőképesek-e. Az atomfegyverek részegységeit, a robbanófejeket, a navigációs rendszereket, valamint a rakétákat, már számos alkalommal tesztelték, de az atomfegyver-rendszer "egészét" még soha sem. A kérdést felvetők arra hivatkoztak, hogy nem lehet tudni, egy nukleáris robbanófej képes lenne-e a felső légkörben és a világűrben tapasztalható gravitációs és légköri viszonyok átviselésére, valamint hogy Kennedy elnök nem merészel végrehajtani egy éles robbanófejjel ellátott rakétakísérletet. Az 1962-es Frigate Bird-hadművelet során a USS Ethan Allen tengeralattjáróról indított Polaris rakéta-kísérletet számos kritika érte, többek között Curtis LeMay-től, aki a rakéták pontosságát vitatta abból a célból, hogy inkább az általa vezetett stratégiai légierő kapjon több bombázót. Kritikái szerint a rakétakísérlet csak egy elszigetelt eset volt, ezért statisztikai anomália, alacsonyabb pályán repült, mint egy ICBM, és a kísérlethez használt robbanófejen a kísérlethez számos változtatást eszközöltek.
+ Az USA és a SZU hadászati atomrakétái, robbanófejei és ezek hatóereje, 1964. és 1982. között Év Indítóállások Robbanófejek Hatóerő (MT) USA SZU USA SZU USA SZU 1964 2416 375 6800 500 7500 1000 1966 2396 435 5000 550 5600 1200 1968 2360 1045 4500 850 5100 2300 1970 2230 1680 3900 1800 4300 3100 1972 2230 2090 5800 2100 4100 4000 1974 2180 2380 8400 2400 3800 4200 1976 2100 2390 9400 3200 3700 4500 1978 2058 2350 9800 5200 3800 5400 1980 2042 2490 10 000 6000 4000 5700 1982 2032 2490 11 000 8000 4100 7100 Forrás: Gerards Segal, The Simon & Schuster Guide to the World Today, (Simon & Schuster, 1987), 82. o.innen: Edwin Bacon, Mark Sandle, "Brezhnev Reconsidered", Studies in Russian and East European History and Society (Palgrave Macmillan, 2003)
Az atomfegyverek kezdeti terjedése thumb|right|250px|Operation Hurricane: első brit kísérleti atomrobbantás Ausztráliában; 1952. október 3. thumb|right|250px|Gerald Ford, amerikai elnök, és Leonyid Brezsnyev, az SZKP főtitkára, aláírja a SALT-1 fegyverzetkorlátozási szerződést; 1974. november 23. thumb|right|250px|Egy Peacekeeper rakéta önállóan célra irányítható robbanófejeinek (MIRV) tesztelése. thumb|right|250px|Reagan csillagháborús tervét illusztráló, földi- és űrtelepítésű rakétaelhárító lézerrendszert bemutató fantáziarajz; 1984. október 18. thumb|right|250px|Agni–II indiai középhatótávolságú ballisztikus rakéta; 2004. január 26.
A Szovjetunión és az Egyesült Államokon kívül még három ország fejlesztett ki atomfegyvereket: az Egyesült Királyság,Nagy-Britannia nukleáris hadereje FranciaországFranciaország nukleáris hadereje és Kína,Kína nukleáris hadereje bár lényegesen kisebb nagyságrendben.
1952-ben Nagy-Britannia vált a harmadik atomhatalommá, miután október 3-án Ausztráliában sikeres atomkísérletet hajtott végre. A hidegháború alatt a brit nukleáris elrettentést a tengeralattjárókról és repülőgépekről indítható atomfegyverek jelentették: a Resolution-osztályú tengeralattjárókról indítható UGM–27 Polaris rakétával, valamint az Avro Vulcan, SEPECAT Jaguar, Panavia Tornado és hasonló bombázók által hordozott WE.177 bombával.
1960. február 13-án Franciaország Algériában a Gerboise Bleue névre hallgató atombomba felrobbantásával negyedikként lépett be a nukleáris fegyverekkel rendelkező országok szűk klubjába. A hidegháború alatt a francia nukleáris doktrína a force de frappe hármas csapásmérő kombináción alapult, amelynek részeit a Mirage IV bombázók szállította AN–22 atombombák és ASMP atomtöltetű rakéták; a Pluton és Hades földi indítású ballisztikus rakéták; valamint a Redoutable-osztályú tengeralattjárókról indított ballisztikus rakéták adták ki.
1964. október 16-án Kína lett az ötödik atomhatalom, miután az 596-os kódszámú kísérletben felrobbantott egy U-235 bombát.China's Nuclear Weapons A kínai-szovjet eltávolodás miatt a kínaiak az atomfegyvereiket egyaránt bevethették volna a Szovjetunió vagy az Egyesült Államok ellen. A hidegháború alatt a kínai nukleáris elrettentő erőt a H–6 bombázókon szállított atombombák, a DF–2, DF–3 és DF–4 rakétarendszerekTheater Missile Systems - China Nuclear Forces valamint a 092 típusú tengeralattjárók adták.