Советский Союз испытал первую атомную бомбу в 1949 году, спустя 4 года после американских испытаний. Как и в Соединённых Штатах, в СССР придерживались интенсивного графика работы во время холодной войны: за 41 год всего было проведено 715 испытаний. Как и в США – и даже в большей степени – внутренние территории СССР пострадали от заражения, а здоровье граждан было подвергнуто ненужному риску. Также Москва провела испытания печально известной «Царь-бомбы», самой большой когда-либо созданной термоядерной бомбы.
Большинство ядерных испытаний было проведено на Семипалатинском испытательном полигоне в Казахской Советской Социалистической Республике. Как и пустыни Невады, степи Центральной Азии служили испытательным полигоном, где можно было проводить атмосферные испытания бомб вдали от густонаселённых районов. На Семипалатинском полигоне было протестировано 456 атомных и термоядерных устройств, многие из которых прошли атмосферные испытания.
Бывший глава НКВД Лаврентий Берия назвал Семипалатинск необитаемым и посчитал идеальным местом для проведения испытаний. На самом деле в окрестностях полигона проживало 700 тысяч человек, многие из которых жили в сельских поселениях. Первая советская атомная бомба РДС-1 была взорвана на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949 года. РДС-1 была бомбой имплозивного типа с плутонием, за основу которой была взята сброшенная на Нагасаки бомба, а секретные данные о ней были получены с помощью разведки. Мощность устройства составляла 22 килотонны – больше, чем у бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки, частично из-за большего количества плутония. От радиоактивных осадков пострадали ничего не подозревающие жители региона, а последствия этого ощущались на протяжении десятилетий.
Как и американская армия, Вооружённые силы СССР также использовали ядерные бомбы в ходе военных учений. Первым подобным событием стали Тоцкие войсковые учения, которые состоялись в 1954 году. Это были первые испытания за пределами Семипалатинского полигона и первые в европейской части СССР. В учениях участвовало 44 тысячи советских военных, некоторые из них находились в 2,5 километрах от эпицентра ядерного взрыва. Бомбардировщик Ту-4 сбросил ядерную бомбу свободного падения РДС-3 мощностью в 40 килотонн, которая взорвалась на высоте 304 метров над поверхностью земли. В течение 40 минут после взрыва войска начали манёвры в менее чем 1,5 километрах от эпицентра. Многие заболели лучевой болезнью и другими связанными с радиацией заболеваниями наподобие рака и лейкемии, которые проявились позже.
Большинство советских испытаний ядерного оружия проходило на Семипалатинском полигоне, но приблизительно треть тестов была проведена на полигоне вблизи губы Митюшиха на острове Новая Земля. Сходный по площади со штатом Мэн остров Новая Земля в Баренцевом море был действительно заброшенной территорией. Вблизи губы Митюшиха было испытано 244 бомбы, среди них и печально известная «Царь-бомба» — гигантская 50-мегатонная бомба, которая затмила американску 15-мегатонную бомбу Castle Bravo.
Сложно описать «Царь-бомбу», не отзываясь о ней как о «самой-самой». Взорванная СССР 30 октября 1961 года бомба массой в 27 тонн была сброшена с модифицированного бомбардировщика Ту-95. «Царь-бомба» была настолько мощной, что шансы выжить у экипажа бомбардировщика составляли 50 на 50. Световое излучение могло оставить ожоги третьей степени на закрытой коже на расстоянии в 100 километров, а вспышку можно было заметить в 965 километрах от эпицентра взрыва. Деревянные строения в более чем 160 километрах от эпицентра были разрушены, а от ударной волны разбились стёкла в домах на расстоянии в 900 километров от взрыва. Ядерный гриб «Царь-бомбы» составил 65 километров в высоту и 95 километров в ширину.
Гротескная демонстрация мощи — ни одно подобное «Царь-бомбе» устройство не было когда-либо использовано. Спорной обратной стороной эксперимента стали намерения СССР найти мирное применение ядерному оружию. В рамках программы по мирным ядерным взрывам в СССР было использовано 124 единицы ядерного оружия для «мирных целей» наподобие поиска нефти и газа, перекрытия и изменения водных путей, содействия угледобыче, создания озёр, подземных хранилищ для природного газа и даже подземных хранилищ токсичных отходов. Программа провалилась и, что не удивительно, часто происходило радиоактивное заражение.
В итоге Москва провела 219 атмосферных, водных и космических испытаний. Действия США и Советского Союза были ограничены Договором о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой от 1963 года, условия которого допускали лишь подземные испытания. Остальные 496 тестов прошли под землёй.
Как и в США, в СССР военные и гражданское население страдали от испытаний ядерного оружия. В ходе таких мероприятий, как Тоцкие войсковые учения, военные не были защищены. В 1992 году появились данные о том, что приблизительно 60 тысяч живущих в Казахстане вблизи Семипалатинского полигона людей умерли от рака, вызванного радиацией. Несмотря на то, что уровень радиации в регионе сократился, врождённые дефекты, появившиеся из-за хромосомной аберрации, продолжают проявляться у детей, хотя с момента проведения испытаний успело смениться три поколения.
СССР провёл испытания своего последнего ядерного оружия 24 октября 1990 года – двумя годами раньше, чем США. Это вовсе не стало проявлением великодушия или шагом навстречу всеобщему миру, так как на самом деле СССР был на грани распада. В 1990-ые годы российские и казахстанские СМИ заявляли, что тесты пройдут в мае 1991 года, но устройство мощностью в 0,3 килотонны осталось заброшенным в туннеле в 120 метрах под землёй. Утверждается, что его уничтожили в 1995 году с помощью 360-килограммового подрывного заряда.
Бывшие республики СССР не стали продолжать испытания. Все, кроме России, отказались от ядерного оружия, а оставшийся арсенал утилизировали. Россия не заинтересована в последующих испытаниях и вместо этого большое внимание уделяет созданию носителей, среди которых размещаемая на подводных лодках ракета «Булава», ракета мобильного базирования «Тополь-МР» и межконтинентальная баллистическая ракета «Сармат». На настоящий момент США и Россия соблюдают негласный мораторий на испытания.