1896년 베크렐이 방사선을 발견했고, 마리 퀴리는 방사성 원소 폴로늄과 라듐을 찾아 노벨 물리학상(1903)과 화학상(1911)을 받았다. 1905년 아인슈타인은 질량이 막대한 에너지로 바뀔 수 있다는 식(E=mc²)을 내놓았다. 1938년 말 독일의 한과 슈트라스만은 우라늄 원자핵이 쪼개지는 핵분열을 발견했고, 마이트너와 프리슈가 그 원리를 설명했다.
나치 독일이 먼저 핵무기를 만들까 두려워한 미국은 영국·캐나다와 함께 1942년 맨해튼 계획을 시작했다. 1945년 7월 16일 뉴멕시코 사막에서 첫 핵실험(트리니티)에 성공했고, 8월 6일 히로시마, 8월 9일 나가사키에 원자 폭탄을 떨어뜨렸다. 1945년 말까지 두 도시에서 20만 명 안팎이 숨진 것으로 추정되며(연구마다 차이가 있다), 강제 동원 등으로 그곳에 있던 많은 조선인도 피해를 입었다.
전쟁 뒤 소련(1949)을 비롯한 여러 나라가 핵무기를 가지면서 핵 군비 경쟁이 냉전의 중심이 되었다. 한편 핵분열 에너지는 원자력 발전으로도 쓰이게 되었다. 원자 폭탄이 쓰인 전쟁의 흐름은 ‘제2차 세계대전’ 주제에서 다룬다.