Depois do sucesso dos soviéticos no teste de suas primeiras armas nucleares, a corrida nuclear havia oficialmente começado. Pouco mais de um mês depois do teste "Joe 1", os Estados Unidos começaram a expandir suas produções de urânio e de plutônio. No começo de 1950, o presidente Harry Truman anunciou que os EUA continuariam a pesquisar e a desenvolver "todas as formas de armas atômicas".

Inicialmente, os cientistas que trabalhavam para o Projeto Manhattan haviam considerado dois possíveis modelos de bomba atômica. Optaram, enfim, pela criação de uma bomba de fissão, na qual nêutrons disparados contra núcleos de átomos de urânio ou de plutônio deflagram uma imensa reação em cadeia. Esse foi o tipo de bomba usado em Hiroshima, em Nagasaki e no atol de Bikini (em inglês). Um físico de Los Alamos, Edward Teller, sugeriu uma bomba de fusão termonuclear, ou bomba de hidrogênio. Uma bomba de fusão opera forçando a fusão do deutério e do trítio, dois isótopos do hidrogênio. A explosão resultante poderia ser teoricamente muito mais forte do que a de um dispositivo de fissão, e não havia muitos limites práticos para sua potência máxima. O prazo disponível não permitiu que uma bomba de fusão fosse produzida, mas Teller continuou pressionando por uma oportunidade de concluir um protótipo a fim de manter a liderança do país diante dos soviéticos.
Em 1° de novembro de 1952, os EUA detonaram a primeira bomba de hidrogênio da História, em um teste cujo nome-código era "Mike", no atol de Enewetak, nas ilhas Marshall. A explosão resultante teve poder equivalente a 10 milhões de toneladas de TNT, ou 700 vezes mais que a bomba de fissão detonada sobre Hiroshima. A nuvem formada pela explosão atingiu altitude de 40 quilômetros e se expandiu por 160 quilômetros, e a ilha na qual a explosão foi realizada simplesmente desapareceu, deixando apenas uma vasta cratera. Uma vez mais, Klaus Fuchs havia passado aos soviéticos informações antecipadas sobre o projeto de bombas de hidrogênio, bem como sobre a bomba de fissão, e no fim de 1955 eles já haviam testado um aparato semelhante.

Um dos eventos mais perturbadores dos anos 50 foi outro avanço soviético - o lançamento do Sputnik 1, em 4 de outubro de 1957. O satélite foi o primeiro objeto a ser lançado ao espaço por um míssil balístico intercontinental (ICBM), e essa realização provocou uma onda de medo nos EUA. Se os soviéticos eram capazes de lançar um satélite ao espaço, eles eram capazes de fazer o mesmo com uma ogiva nuclear. Agora, em vez de serem alertados em tempo quanto a um ataque nuclear pela vigilância a aviões em rota de ataque, um míssil poderia atingir seu alvo em menos de uma hora.
Os anos 50 também viram a expansão do grupo de nações equipadas com armas nucleares testadas. A Inglaterra trabalhou com os EUA no projeto da arma nuclear, mas, devido à escassez de fundos, suas contribuições haviam sido apenas teóricas. Isso mudou em 1952, quando os ingleses testaram sua primeira bomba nuclear, na costa da Austrália.
A corrida começou rapidamente nos anos 50, mas os perigos reais só se tornariam evidentes na década seguinte. Para aprender mais sobre as armas nucleares nos anos 60, leia a seção seguinte.