Från allra första början har utvecklingen och konstruktionen av kärnvapen åtföljts av behovet av att genomföra kärnvapentester för att säkerställa att kärnreaktionen och systemet fungerar som avsett. Det anses nästan omöjligt att uppnå en fungerande kärnvapenkapacitet utan kärnvapentester. Världens första kärnvapentest genomfördes vid testplatsen i New Mexico i USA i juli 1945, och totalt har 2 121 kärnvapentester genomförts hittills. Av dessa har USA genomfört 1 032, Sovjetunionen 727, Frankrike 215, Storbritannien 88, Kina 47, Nordkorea 6, Indien 3 och Pakistan 2. Ungefär en fjärdedel av alla kärnvapentester har genomförts i atmosfären och resten under jord eller i havet.

USA och Sovjetunionen genomförde sina kärnvapenprov på sina egna territorier, om än i så avlägset belägna områden som möjligt. De två viktigaste kärnvapentestplatserna som använts av USA har varit Nevadaöknen, där mer än 900 kärnvapentester har genomförts, och de USA-ägda Marshallöarna i Stilla havet, där mer än 40 kärnvapentester har genomförts. Den mest kända av dessa var det 10–15-megatons vätebombstest som genomfördes på Bikiniatollen 1954, vilket var den största kärnvapenexplosionen som genomförts av USA. Dessutom har USA genomfört mer än 20 kärnvapentester i Stilla havet, på Christmas Island och Johnston Island, samt enskilda kärnvapentester i Colorado, Mississippi, Alaska och Sydatlanten.

Sovjetunionen har endast använt två kärnvapentestplatser. Det högsta antalet kärnvapenexplosioner har genomförts vid Semipalatinsk-testplatsen i det som då var den kazakiska sovjetrepubliken i Centralasien, där mer än 450 kärnvapentester genomfördes mellan 1949 och 1989. En annan mycket använd testplats har varit ön Novaja Zemlja i sovjetiska Arktis, endast 900 kilometer från Finland. Mer än 130 kärnvapentester har genomförts där, varav det mest kända var den enorma 50-megaton vätebombsexplosionen 1961.

Av förståeliga skäl genomförde Storbritannien och Frankrike inga kärnvapentester i sina europeiska territorier. Mellan 1952 och 1969 genomförde Storbritannien totalt 45 kärnvapentester, de första 12 i Australien i tre olika regioner, nio i Stilla havet och 24 i Nevada i USA, som en del av ett gemensamt program mellan britterna och amerikanerna. De två första brittiska kärnvapenexplosionerna genomfördes i Australien utan att australierna tillfrågades, och det var först från den tredje explosionen som den australiska regeringen godkände detta. Australien ville dock inte agera som en brittisk kärnvapentestplats, så på grund av Australiens motvilja flyttade britterna kärnvapentesterna till de öar de ägde i Stilla havet 1957.

Frankrike genomförde 14 kärnvapentester i Algeriet mellan 1960 och 1966. Fram till 1962 var Algeriet en fransk koloni. År 1966 flyttade Frankrike sin kärnvapentestplats till Polynesien i södra Stilla havet, till atollerna Mururoa och Fangataufa. Frankrike detonerade också en vätebomb där 1968, och andra, främst underjordiska, kärnvapentester genomfördes där fram till 1996. Vid den tiden, inför stark internationell kritik, avbröt Frankrike sina kärnvapenprov där och anslöt sig till CTBT:s förbud mot kärnvapenprov.

Kina har genomfört totalt 47 kärnvapentester mellan 1964 och 1996 i den avlägsna Lop Nor-ökenregionen. Det mest kraftfulla kärnvapentestet var detonationen av en fyra megaton stark kärnvapenbomb 1976.

Kärnvapentester förbjöds genom det omfattande testförbudsfördraget (CTBT) 1996. Det har undertecknats av 187 länder, men USA, Ryssland, Kina, Israel, Iran och Egypten har ännu inte ratificerat det, så fördraget är inte officiellt i kraft. Fördraget om kärnvapenprov har dock i praktiken nästan helt satt stopp för kärnvapentester. Sedan dess har kärnvapentester genomförts av Indien (på 1990-talet), Pakistan (på 1990-talet) och Nordkorea (på 2000-talet), som inte har undertecknat fördraget. Israel har aldrig erkänt att landet har genomfört ett kärnvapentest. Kina har börjat stärka sin kärnvapenavskräckning och utöka sin kärnvapenarsenal, och som en del av detta har landet också misstänkts för att genomföra hemliga kärnvapentester.