第二次世界大战后，美、苏在意识形态、地缘政治利益、军事安全等领域发生了一系列的冲突，核武器军备竞赛就是两国对抗的产物，也是“冷战”的重要表现形式。这场竞赛随“冷战”的发展而升级，随“冷战”的结束而终止，其进程大致分为以下几个阶段：
第一阶段（“二战”结束到20世纪50年代中期）：核对抗兴起
1945年7月16日，美国第一颗原子弹试爆成功，并将其正式用于军事战争中，成为世界上第一个掌握核武器的国家。面对美国的核威胁，苏联加紧了核武器的研制。1949年8月，苏联也成功试爆原子弹，打破了美国的核垄断。这一时期，双方的核力量规模都比较小，尚无针锋相对的战略部署，可视为核军备竞赛的准备阶段。
第二阶段（20世纪50年代中期—60年代末）：均势形成
苏联逐步打破核垄断，具备与美国展开核对抗的能力；美苏形成相互震慑和制衡的态势。双方都认为，唯有强大的核力量才能确立自身的地位。由此，核军备竞赛成为美苏“冷战”的主要形式。
这一时期，双方都大规模扩充核武器库。美国从20世纪50年代末起，掀起“核弹头”生产的“大跃进”，1967年，其库存核弹头总量约达到3.2万枚。同时，美国还先后研制、部署了核航弹、核深水炸弹、核炮弹、战略核导弹等新型武器。由于技术和生产能力的原因，苏联的核扩张稍晚于美国。从1963年后，苏联的核武器库也开始进入快速扩张阶段；到1968年，在所拥有的核弹头总数方面，已扭转了不敌美国的不利局面。
古巴导弹危机之后，美苏竞赛呈现有所克制和缓和的势头，双方都试图寻求谈判与妥协的途径，避免因失控而引发核战争。
第三阶段（20世纪60年代末—80年代中期）：均势对抗
到20世纪60年代末，美苏战略力量对比大致趋于平衡，但双方并未停止竞赛的脚步，而是通过技术改进、完善，实现装备的更新换代，力求突破均势、争取优势。越南战争后，美国的国力受到很大削弱，新任总统尼克松提出具有缓和倾向的“尼克松主义”。苏联趁机转守为攻，出台“超过美国，称霸全球”的战略目标。此后，随着1979年苏联入侵阿富汗和里根上台后推行对苏强硬政策，核军备竞赛再度升级。
在美苏对峙期间，美国推出分导式多弹头装置，引发了双方在先进巡航导弹、陆基机动弹道导弹、新型战略核潜艇等方面的一轮又一轮新的军备竞赛。
第四阶段（20世纪80年代中期—苏联解体）：从缓和走向终止
1985年3月，戈尔巴乔夫上台，推行“新思维”外交，苏联不再强调通过扩充核实力来谋求战略均势，而是主张苏美双方都降低核对抗水平，保持低水平的均势。
从1985年11月到1991年7月，美苏首脑多次会晤，并达成多项裁军协议，特别是在1990年8月爆发的海湾危机中，美苏进行了“冷战”期间的首次合作。随着苏联的妥协退让，美苏抗衡的力量对比逐渐失衡，两国对抗开始真正走向缓和。
1991年，苏联正式解体，“冷战”结束，美苏两国的核军备竞赛随之终结。
