核武器使用的基本材料主要是鈾-235或鈽-239。
天然鈾礦石屬稀有礦物，其中的鈾-235僅佔0.7%，剩下的大都是不能發生鏈式反應的鈾-238。從天然鈾礦石中提取鈾-235，得先把鈾-238分離出去，這一加工過程即為「濃縮」。
鈾濃縮需要較高的科技水平，因為鈾-235和鈾-238的化學性質幾乎相同，無法進行常規化學分離，只能採用物理方法處理，常見的途徑包括離心法、氣體擴散法和雷射法。
離心分離法的工作原理與洗衣機使衣物脫水的過程相似：通過每秒達2萬轉以上的超高速離心機，將鈾-235濃度逐步提高到90%以上。至於氣體擴散法，其原理雖然簡單，但實現起來相當困難——鈾-235與軸-238隻有在極高的離心轉速下才能完全分離，稍有失穩就會導致裝置損壞，大多數國家都沒有能力製造這樣的鈾氣體分離裝置。
韓國目前較有把握的是雷射法。2004年9月14日，韓國科學技術部宣布，一家私人公司曾進口了含鈾磷肥；並且向國際原子能機構通報發現了大約100公斤的鈾氧化物，這是用於原子蒸發雷射分離同位素試驗的惟一鈾來源。
另一方面，鈽-239沒有天然的，一般由鈾-238經中子照射轉換而成，需要靠人工方法對核反應堆廢料進行後處理才能提取。重水堆中較多的剩餘中子可以使鈾-238轉變為鈽-239，通過控制重水堆中鏈式反應的進程，並及時將生成的鈽-239取出，就可以在發電的同時生產出可供核武器使用的鈽-239。這種獲得鈽-239的方法繞過了鈾-235和鈾-238同位素分離的技術難關，使印度、巴基斯坦等國家跨過了「核門檻」，製造出實用的核武器。