Ydinaseiden kehittämiseen ja rakentamiseen on alusta alkaen liittynyt tarve tehdä ydinkokeita, jolla varmistetaan, että ydinreaktio ja järjestelmä toimii suunnitellulla tavalla. Toimivan ydinasekyvyn aikaansaamista ilman ydinkokeita pidetään lähes mahdottomana. Maailman ensimmäinen ydinkoe tehtiin Uuden Meksikon koealueella Yhdysvalloissa heinäkuussa 1945, ja tähän mennessä on tehty yhteensä 2 121 ydinkoetta. Näistä Yhdysvallat on tehnyt 1 032, Neuvostoliitto 727, Ranska 215, Britannia 88, Kiina 47, Pohjois-Korea 6, Intia 3 ja Pakistan 2. Kaikista ydinkokeista noin neljäsosa on tehty ilmakehässä ja loput maan alla tai meressä.

Yhdysvallat ja Neuvostoliitto toteuttivat ydinkokeitaan omilla alueillaan, joskin mahdollisimman syrjäisillä seuduilla. Yhdysvaltojen käyttämät kaksi tärkeintä ydinkoealuetta ovat olleet Nevadan autiomaa, jossa on tehty yli 900 ydinkoetta, ja Yhdysvaltojen omistamat Marshall-saaret Tyynellämerellä, jossa on tehty yli 40 ydinkoetta. Tunnetuin niistä oli Bikinin atollilla vuonna 1954 tehty 10–15 megatonnin vetypommikoe, joka on ollut suurin Yhdysvaltojen tekemä ydinräjäytys. Lisäksi Yhdysvallat on tehnyt yli 20 ydinkoetta Tyynellämerellä Joulusaarilla ja Johnstonin saarilla sekä yksittäisiä ydinkokeita Coloradossa, Mississipissä, Alaskassa ja eteläisellä Atlantilla.

Neuvostoliitto on käyttänyt vain kahta ydinkoealuetta. Eniten ydinräjäytyksiä on tehty Semipalatinskin koealueella silloisessa Kazakstanin neuvostotasavallassa, Keski-Aasiassa, jossa tehtiin yli 450 ydinkoetta vuosina 1949–1989. Toinen paljon käytetty koealue on ollut Novaja Zemljan saari Neuvostoliiton arktisella alueella, vain 900 kilometrin päässä Suomesta. Siellä on tehty yli 130 ydinkoetta, tunnetuimpana niistä valtava 50 megatonnin vetypommiräjäytys vuonna 1961.

Britannia ja Ranska eivät ymmärrettävistä syistä tehneet ydinkokeita omilla alueillaan Euroopassa. Britannia teki vuosina 1952–1969 kaikkiaan 45 ydinkoetta, joista 12 ensimmäistä Australiassa kolmella eri alueella, yhdeksän Tyynellämerellä ja 24 Nevadassa, Yhdysvalloissa osana brittien ja amerikkalaisten yhteistä ohjelmaa. Brittien kaksi ensimmäistä ydinräjäytystä tehtiin Australiassa kysymättä australialaisten mielipidettä asiaan, ja vasta kolmannesta räjäytyksestä lähtien siitä sovittiin Australian hallituksen kanssa. Australiaa ei kuitenkaan miellyttänyt toimiminen brittien ydinkoealueena, joten Australian vastahakoisuuden vuoksi britit siirsivät vuonna 1957 ydinkokeet omistamilleen Tyynenmeren saarille.

Ranska toteutti 14 ydinkoetta Algeriassa vuosina 1960–1966. Vuoteen 1962 saakka Algeria oli Ranskan siirtomaa. Vuonna 1966 Ranska siirsi ydinkoealueensa Polynesiaan eteläiselle Tyynellemerelle, Mururoan ja Fangataufan atolleille. Siellä Ranska räjäytti myös vetypommin vuonna 1968, ja muita, pääasiassa maanalaisia ydinkokeita siellä tehtiin vuoteen 1996 saakka. Silloin Ranska voimakkaan kansainvälisen arvostelun seurauksena lopetti ydinräjäytykset siellä ja liittyi CTBT-ydinkoekieltosopimukseen.

Kiina on tehnyt kaikkiaan 47 ydinkoetta vuosina 1964–1996 syrjäisellä Lop Norin autiomaa-alueella. Voimakkain ydinkoe oli vuonna 1976 tehty neljän megatonnin ydinpommin räjäytys.

Ydinkokeet kiellettiin kansainvälisellä CTBT-sopimuksella (Comprehensive Test Ban Treaty) vuonna 1996. Sen on allekirjoittanut 187 valtiota, mutta allekirjoittajavaltioista Yhdysvallat, Venäjä, Kiina, Israel, Iran ja Egypti eivät ole sitä vielä ratifioineet, joten sopimus ei ole virallisesti voimassa. Ydinkoekieltosopimus on kuitenkin saanut aikaan sen, että ydinkokeet ovat lähes loppuneet. Ydinkokeita ovat sen jälkeen tehneet Intia (1990-luvulla), Pakistan (1990-luvulla) ja Pohjois-Korea (2000-luvulla), jotka eivät ole allekirjoittaneet sopimusta. Israel ei ole koskaan myöntänyt tehneensä ydinkoetta. Kiina on alkanut vahvistaa ydinasepelotettaan ja laajentaa ydinasearsenaaliaan, ja osana tätä hanketta sen on epäilty myös tehneen salaisia ydinkokeita.