二战尚未结束，原子科学家们就已经预感到将来各大国之间会发生核军备竞赛。在攻入德国时，美国军事当局抢在法国之前搜寻海森堡的反应堆实验室。这个实验室位于爱兴根，本来是法占区。美国人却赶在法国人之前18小时占领了该镇，查抄了海森堡的实验室，抓住了哈恩、劳厄和魏茨萨克等人。后来发现这里并没有多少有用的资料，才把这批德国核物理学家交给英国人看管。美国这时候不再害怕德国，担心的倒是自己的盟国。在美国本土，曼哈顿工程的核心研究部门都不让外国人参加。
原子弹试爆成功以及在战争中发挥作用之后，原子物理学家一下子成了特殊人物。在公众面前，他们成了传说中的能召唤魔力的人，而在政府眼中，他们与国家安全息息相关。美国政府要保持核垄断，保持核大国的地位，科学家们却一再表示核垄断是靠不住的。对于原子科学家，比战时更加严格的保密制度和审查制度开始实行。有的人被剥夺了工作，有的人被监禁。即使在实验室里，人们也只能低声说话。空气中弥漫着不信任和恐惧。连领导整个曼哈顿工程技术工作、被称为“原子弹之父”的奥本海默，也一直受到审查。直到最后，1953年12月3日，美国联邦调查局甚至怀疑他是苏联间谍。艾森豪威尔总统决定将奥本海默排除出美国的原子能领导阶层。次年，奥本海默接受审判。
正像早期错误地估计德国会很快造出原子弹一样，现在美国的科学家和当局又错误地估计了别国发展原子弹的速度。苏联在原子能知识方面一向不弱，拥有像萨哈罗夫这样非常优秀的原子科学家，也拥有足够发达的工业生产能力。美国在广岛投下原子弹后，苏联政府立即做出了研制原子弹的决定。8月中旬的一次会议上，斯大林说：“对你们的唯一要求，同志们，是在尽可能短的时间内为我们提供原子武器。你们知道，广岛事件震撼了整个世界，均势已经被破坏。提供这种炸弹——它将使我们免受巨大的威胁。”原子弹作为影响国际战略格局的重要因素，已经为大国的首脑所充分意识到。
苏联的动作之快出乎美国人的意料。1949年8月29日，就在美国在广岛投下原子弹4年后，苏联就成功地进行了一次核试验。美国的飞机很快发现苏联远东地区大气中有放射性粒子的明显痕迹。9月23日，杜鲁门宣布苏联进行了核爆炸。4个月后，也就是1951年1月31日，他宣布美国将继续发展氢弹，毫不犹豫地朝核军备竞赛迈出了第一步。1952年11月1日，美国在马绍尔群岛爆炸了第一颗氢弹。次年8月，苏联也爆炸了一颗氢弹。氢弹的爆炸当量相当于数百万吨TNT炸药，比原子弹大得多。
苏联很快自行制造出了原子弹，打破了美国的核垄断和核威慑，核军备竞赛就此开始。除苏联外，1952年10月3日，英国的第一颗原子弹试制成功；1960年2月13日，法国爆炸了第一颗钚弹。1964年10月16日，中国也成功试爆了第一颗原子弹。原子武器巨大的摧毁性以及核垄断的打破造成了谁也不敢首先使用核武器的局面，这反而使世界局势趋于缓和，爆发世界大战的可能性变小了。
