Всего в СССР было изготовлено 5 бомб РДС-1. В армию они не передавались, а находились на хранении в Арзамасе-16. Бомбы собственной оригинальной конструкции РДС-2 и РДС-3 разрабатывались с весны 1948 г. Они различались составом ядерной начинки, были почти в 2 раза легче копии американской и в 2 раза мощнее ее. Первая из них, с начинкой из плутония, была взорвана на Семипалатинском полигоне в сентябре 1951 г. на башне высотой 30 м., а РДС-3 с комбинированной ядерной начинкой из плутония-239 и урана-235 сброшена на цель с высоты 10 км и взорвана на высоте 400 м над уровнем земли в октябре 1951 г. Это было первое испытание в СССР атомной бомбы путем бомбометания по цели. Ядерные боеприпасы РДС-2 и РДС-3 были переданы в серийное производство.
Сложнейшей проблемой в осуществлении атомного проекта являлось производство оружейного урана. В ядерном оружии он используется с различной степенью обогащения. В природном уране, состоящем из смеси его разновидностей (изотопов), содержится 99,28 % урана-238, 0,714 % урана-235, и 0,006 % урана-234. Цепную реакцию деления ядер с высвобождением громадной внутриядерной энергии способен поддерживать лишь уран-235. Процентное содержание в урановой смеси урана-235 означает степень обогащения урана. Чем она выше, тем выше оружейные качества этого материала. Оружейный уран для первой советской урановой бомбы был произведен на заводе в Свердловске-44 (ныне г. Новоуральск, Уральский Электрохимический комбинат) под научным руководством И.К. Кикоина. Использованная здесь газодиффузионная технология обогащения урана позволяла обогащать его ураном-235 до 75 %. Дообогащение продукта до «бомбовой кондиции» (90 %) выполнялось на заводе в Свердловске-45 (ныне г. Лесной, комбинат «Электрохимприбор») на электромагнитных сепараторах (научный руководитель Л.А. Арцимович). Позднее обогащение урана производилось также в аппаратах, называемых центрифугами. Этот метод оказался более экономичным и производительным. Научное руководство проблемы по газоцентрифужному методу разделения изотопов урана с конца 1954 г. осуществлял академик И.К. Кикоин. Первый опытный завод, оснащенный каскадами центрифуг, начал функционировать в октябре 1957 г. Крупный промышленный комбинат, полностью оснащенный газовыми центрифугами, введен в эксплуатацию в 1962–1964 гг. В течение 1960-х и 1970-х гг. все газодиффузионные машины поменяли на центрифуги.
К окончанию «эпохи Сталина» в СССР насчитывалось 120 ядерных бомб (в США–1436). Первыми носителями ядерного оружия в СССР были бомбардировщики Ту-4 (производился в 1947–1952) и Ил-28 (производился в 1949–1955). Помимо США и СССР в клуб ядерных держав вошли Великобритания (1952), Франция (1960), Китай (1964), Индия и Пакистан (1998), а также ряд государств, официально не являющихся его обладателями.