Параллельно с этим крупнейшие советские учёные и конструкторы усиленно работали над созданием термоядерного оружия, и уже в августе 1953 года на Семипалатинском полигоне впервые было проведено успешное испытание советской водородной бомбы проекта РДС-бс, созданной на так называемом сухом термоядерном топливе. Причём, в отличие от атомных бомб проектов РДС-1, РДС-2 и РДС-3, новая водородная бомба, обладавшая невероятной разрушительной силой, стала результатом творческой победы исключительно советских физиков-ядерщиков и конструкторов, в частности Ю.Б.Харитона, Н.Л.Духова, Я.Б. Зельдовича, В.Л.Гинзбурга, А.Д. Сахарова и В.А.Давыденко. Успешное испытание РДС-бс показало, что именно СССР впервые в мире создал очень компактное термоядерное оружие, которое могло разместиться в бомбовых люках стратегического реактивного многоцелевого самолёта Ту-16, запущенного в серийное производство в мае 1953 года.
Чуть позже, в ноябре 1955 года, по так называемой схеме Теллера — Улама Я.Б.Зельдовичем, А.Д.Сахаровым, Ю.А.Трутневым и Ю.Н.Бабаевым была создана новая, куда более мощная термоядерная бомба проекта РДС-37, которая после её успешного испытания на том же Семипалатинском полигоне была принята на вооружение. Наконец, в октябре 1961 года под научным руководством академика И.В.Курчатова В.А.Давыденко, Я.Б.Зельдович и А.Д. Сахаров завершили разработку самой мощной термоядерной авиабомбы проекта АН-602 («Царь-бомба»), над которой они работали более семи лет. 30 октября 1961 года на турбовинтовом стратегическом бомбардировщике-ракетоносце ТУ-95 эта бомба была сброшена на ядерном полигоне «Сухой нос» на Малой Земле, что стало очередным триумфом советской науки и дало серьёзный козырь в руки советского политического руководства в начавшейся гонке вооружений.
Параллельно с созданием ядерного оружия активно велись разработки и средств его доставки на территорию потенциального противника, прежде всего в США. Эта очень напряжённая работа, общее руководство которой осуществлял заместитель председателя Совета Министров СССР Михаил Васильевич Хруничев, велась сразу по линии нескольких союзных ведомств: Министерства авиационной промышленности, а затем Госкомитета СССР по авиационной технике, которые без малого четверть века возглавлял Пётр Васильевич Дементьев (1953–1977), Министерства общего машиностроения, которым руководил Пётр Николаевич Горемыкин (1955–1957), Министерства оборонной промышленности, во главе которого стоял Дмитрий Фёдорович Устинов (1953–1957), и его «преемника» Государственного комитета СССР по оборонной технике, председателями которого поочерёдно были Александр Васильевич Домрачёв (1957–1958), Константин Николаевич Руднев (1958–1961), Леонид Васильевич Смирнов (1961–1963) и Сергей Алексеевич Зверев (1963–1965).
Сама же работа по созданию надёжных носителей ядерных зарядов велась по двум главным направлениям:
— создание многоцелевых стратегических бомбардировщиков, все работы по которым велись в трёх крупнейших Конструкторских бюро (КБ), во главе которых стояли выдающиеся авиаконструкторы — генералы инженерно-технической службы Андрей Николаевич Туполев, Сергей Владимирович Ильюшин и Александр Сергеевич Яковлев. В конечном итоге, после целой серии испытательных полётов и при довольно активной поддержке со стороны генерала П.В. Дементьева приоритет был отдан туполевскому КБ, создавшему в эти годы стратегические многоцелевые бомбардировщики ТУ-4, ТУ-16, ТУ-22, ТУ-95 и ТУ-98, способных доставлять атомную бомбу практически в любой заданный район;
— разработка и создание оперативно-тактических и межконтинентальных (стратегических) баллистических ракет (МБР), работа над которыми упорно велась сразу в нескольких опытно-конструкторских бюро, в частности в ОКБ «Калининград», которое возглавлял Сергей Павлович Королёв, в ОКБ «Южное», которым руководил Михаил Кузьмич Янгель, в ОКБ «Реутов», во главе которого стоял Владимир Николаевич Челомей, и в ОКБ «Химки», где главным конструктором был Валентин Петрович Глушко.
Уже в 1950–1955 годах в серийное производство были запущены первые оперативно-тактические баллистические ракеты Р-1, Р-2 и Р-5, способные нести ядерные заряды. А затем в 1956–1957 годах на базе этих ракет в ОКБ С.П. Королёва была создана и первая межконтинентальная (стратегическая) двухступенчатая баллистическая ракета Р-7, ставшая на тот период основой всего ракетно-ядерного щита нашей страны. Тогда же на вооружение была принята и одноступенчатая баллистическая ракета Р-11 — совместное детище ОКБ М.К.Янгеля и С.П. Королёва.