Πυρηνικές δοκιμές έχουν διεξαχθεί από οκτώ κράτη — Ηνωμένες Πολιτείες, Ρωσία, Ηνωμένο Βασίλειο, Γαλλία, Κίνα, Ινδία, Πακιστάν, Βόρεια Κορέα και πιθανώς Ισραήλ. Η πρώτη πυρηνική δοκιμή, Trinity, διεξήχθη από τις Ηνωμένες Πολιτείες στις 16 Ιουλίου 1945, κοντά στο Alamogordo, στο Νέο Μεξικό. Έκτοτε, τουλάχιστον οκτώ άλλα έθνη έχουν αναπτύξει πυρηνικά όπλα, με πέντε – Ηνωμένες Πολιτείες, Ρωσία, Ηνωμένο Βασίλειο, Γαλλία και Κίνα, μέρος των «κρατών πυρηνικών όπλων», όπως προσδιορίζεται από τη διεθνώς αναγνωρισμένη Συνθήκη Μη Διάδοσης των Πυρηνικών Όπλων.
Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τύποι πυρηνικών δοκιμών — ατμοσφαιρικές, υπόγειες, εξωατμοσφαιρικές και υποβρύχιες. Το καθένα έχει διαφορετικούς σκοπούς και πλεονεκτήματα. Η πρώτη πυρηνική δοκιμή ήταν ατμοσφαιρική, μια βόμβα 20 κιλοτόνων ισοδύναμης TNT πυροδοτήθηκε σε έναν χαλύβδινο πύργο ύψους 20 μέτρων (67 πόδια). Μερικοί επιστήμονες στο Manhattan Project ανησυχούσαν ότι η δοκιμή θα ανάφλεξε την ατμόσφαιρα και θα σκότωνε τα πάντα στη Γη, αλλά οι υπολογισμοί εκείνη την εποχή έδειξαν ότι αυτό ήταν μια εξαιρετικά μικρή πιθανότητα και ευτυχώς δεν συνέβη. Αυτή η πρώτη φορά πυρηνικών δοκιμών δημιούργησε μια βολίδα πλάτους 200 μέτρων (656 πόδια) και άφησε έναν κρατήρα από ραδιενεργό γυαλί στην έρημο βάθους 3 μέτρων και πλάτους 10 μέτρων. Κομμάτια από αυτό το πράσινο γυαλί, που ονομάζεται Trinitite, θεωρούνται πολύτιμα συλλεκτικά αντικείμενα.
Μετά τους ατομικούς βομβαρδισμούς της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι στις 6 και 9 Αυγούστου 1945, αντίστοιχα, οι επόμενες πυρηνικές εκρήξεις σημειώθηκαν κατά τη διάρκεια της Επιχείρησης Crossroads. Αυτή η πυρηνική δοκιμή, που διεξήχθη στην Ατόλη Μπικίνι το καλοκαίρι του 1946, παρουσίασε την πρώτη υποβρύχια έκρηξη, το Baker και μια άλλη δοκιμή, την Able. Η βολή Baker χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή των επιπτώσεων των πυρηνικών όπλων σε πολλά μεγάλα πλοία, τα οποία περιλάμβαναν ομοιώματα στα καταστρώματα. Αυτά τα πλοία έγιναν επικίνδυνα ραδιενεργά μετά τις δοκιμές, αποτελώντας το πρώτο παράδειγμα οξείας ραδιενεργής μόλυνσης από πυρηνικό όπλο.
Τις επόμενες δεκαετίες, διεξήχθησαν χιλιάδες πυρηνικές δοκιμές από τα πυρηνικά κράτη, ιδιαίτερα τις ΗΠΑ, τη Ρωσία και την Κίνα. Η Ρωσία πυροδότησε την πρώτη της βόμβα το 1949, ακολουθούμενη από το Ηνωμένο Βασίλειο το 1952, τη Γαλλία το 1960, την Κίνα το 1964, την Ινδία το 1974, το Πακιστάν το 1998 και η Βόρεια Κορέα το 2006. Το Ισραήλ και/ή η Νότια Αφρική μπορεί να έχουν πραγματοποιήσει πυρηνική δοκιμή σε ένα απομακρυσμένο νησί στο νότιο Ινδικό Ωκεανό το 1979, αλλά αυτό αμφισβητείται. Το 1970, τα κράτη μέλη της Συνθήκης για τη μη διάδοση των πυρηνικών όπλων συμφώνησαν μόνο να διεξάγουν πυρηνικές δοκιμές υπόγεια. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1990, τα περισσότερα πυρηνικά κράτη σταμάτησαν τις δοκιμές. Οι μόνες πυρηνικές εκρήξεις από το 1998 ήταν η δοκιμή της 9ης Οκτωβρίου 2006 από τη Βόρεια Κορέα, αν και αυτή η βόμβα είχε χαμηλή απόδοση και πιστεύεται ότι ήταν μια «φούσκα».