現代物理在20世紀有了質的飛躍，最先進的物理科學往往被最先應用於武器，而在整個第二次世界大戰研製的武器中，原子彈無疑是威力最大的新型武器，它作為結束二戰的終極武器而首次出現在世界上。
20世紀40年代末，現代物理發展到新的階段，核裂變現象成為德、美、英的物理學家紛紛研究的對象。德國納粹為了尋找一種具有巨大威力並足以改變整個戰爭形勢的新型武器，從1939年起就開始秘密研製原子彈。
1940年5月3日，德軍佔領了留坎。在這裡，他們控制了當時世界上唯一能提供大量重水的工廠。幾天之後，德軍又佔領了有著豐富鈾礦的比利時。最後，德國科學家們在巴黎獲得了他們夢寐以求的回旋加速器。至此，德國人製造原子彈已經條件具備，什麼時候生產出原子彈只是時間問題。希特勒甚至在公開場合聲稱，德國會在較短時間內擁有一種能把人炸到兩千米遠的超級炸彈。但為何直至二戰結束德國人還沒有製造出原子彈呢？
其主要原因在於：許多科學家從心底不願意為納粹效力，甚至連海森伯也不例外。作為有社會責任感的科學家，海森伯並不贊成希特勒發展大規模殺傷性核武器，甚至有意隱瞞他們的研究進展，直到1942年，當納粹官員問可否造出原子彈時，海森伯的答覆是「不能」。另一個因素是，盟軍對德國人的原子彈研製計劃進行了一系列的破壞工作。
美國當時並非沒有可以製造出原子彈的專家，只是一直不太重視這個問題。隨著德國人狼子野心的昭示，他們覺察到了危險。1940年6月12日，卡耐基大學校長布希與羅斯福總統進行了一次僅10分鐘的關於國防科學研究的會談。之後，布希便被任命為國家防務委員會主席，1941年12月6日，代號為「曼哈頓工程」的原子彈計劃正式啟動。而這天，正是日軍偷襲珍珠港的日子。一年之內，第一個原子反應堆就在芝加哥正式運轉。1942年，「曼哈頓計劃」的主持者、美國格羅夫斯將軍任命奧本海默為洛斯·阿拉莫斯實驗室的主任。正是在他的領導下，趕在德國之前及時地製造出了原子彈，並投入使用，迅速結束了二戰。
洛斯·阿拉莫斯位於美國新墨西哥州一片沙漠之地，這裡被稱為「秘密之城」，星散著許多低矮的辦公室、實驗室。1945年春，世界上第一顆原子彈「小玩意」開始在離特裡尼蒂只有幾千米的一個大牧場房子裡秘密組裝。初夏，原子彈組裝完畢。1945年7月16日凌晨5點30分，世界上第一顆以鈽-239為燃料的原子彈終於在洛斯·阿拉莫斯的沙漠地帶成功試爆。
原子彈（Atomic bomb）是核武器之一，是利用核反應的光熱輻射、衝擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用，以及造成大面積放射性汙染，阻止對方軍事行動以達到戰略目的的大殺傷力武器。主要包括裂變武器（第一代核武，通常稱為原子彈）和聚變武器（亦稱為氫彈，分為兩級及三級式）。亦有些還在武器內部放入具有感生放射的輕元素，以增大輻射強度擴大汙染，或加強中子放射以殺傷人員（如中子彈）。
核武器是指利用能自持進行核裂變或聚變反應釋放的能量，產生爆炸作用，並具 有大規模殺傷破壞效應的武器的總稱。其中主要利用鈾235（厬U）或鈽239（厱Pu）等重原子核的裂變鏈式反應原理製成的裂變武器，通常稱為原子彈；主要利用重氫（dao H，氘）或超重氫（chuan H，氚）等輕原子核的熱核反應原理製成的熱核武器或聚變武器，通常稱為氫彈。
1964年10月16日，中國自行研製的第一顆原子彈爆炸成功。根據解密的資料，為了這顆原子彈的爆炸，中國一共花費了28億人民幣。1967年6月17日，中國又成功地進行了首次氫彈試驗，打破了超級大國的核壟斷、核訛詐政策，為中華人民共和國作出了巨大貢獻。
煤、石油等礦物燃料燃燒時釋放的能量，來自碳、氫、氧的化合反應。 一般化學炸藥如梯恩梯（TNT）爆炸時釋放的能量，來自化合物的分解反應。在這些化學反應裡，碳、氫、氧、氮等原子核都沒有變化，只是各個原子之間的組合狀態有了變化。核反應與化學反應則不一樣。在核裂變或核聚變反應裡，參與反應的原子核都轉變成其他原子核，原子也發生了變化。人們習慣上稱這類武器為原子武器。但實質上是原子核的反應與轉變，所以稱核武器更為確切。
美國對日本投下的兩顆原子彈，是以帶降落傘的核航彈形式，用飛機作為運載工具的。以後，隨著武器技術的發展，已形成多種核武器系統，包括彈道核飛彈、 巡航核飛彈、防空核飛彈、反飛彈核飛彈、反潛核火箭、深水核炸彈、核航彈、核炮彈、核地雷等。其中，配有多彈頭的彈道核飛彈，以及各種發射方式的巡航核飛彈，是美、蘇兩國裝備的主要核武器。
作為武器的原子彈和氫彈終究是要被消滅的。但是作為放出巨大能量的核爆炸，卻在和平建設中有著吸引入的應用前景。由於核爆炸釋放出的能量特別巨大，所以它能使許多用其它方法不可能完成的工作得以完成。核爆炸可以用來開山、闢路、挖掘運河、建造人工港口等。例如，有一個方案，只需四次核爆炸就可開鑿一個能停泊萬噸巨輪的海港。首先，進行一次百萬噸梯恩梯當量級的核爆炸，就可炸出一個直徑300多米、深30多米的大坑。然後進行三次規模較小的核爆炸，開出一條運河來把大坑和深海連接起來（這樣的爆炸當然應儘量減少放射性物質的產生）。只要經過幾個月的時間，當海潮把產生的少許放射性物質衝走後，這個海港就可安全使用了。