29 августа 1949 г. на Семипалатинском полигоне был испытан первый ядерный заряд РДС-1, установленный на башне высотой 37,5 м и имевший мощность 22 кт.

Радиоактивный след от первого ЯВ 29 августа 1949 г. мощностью всего 22 кт накрыл 11 административных районов Алтайского края. Средние индивидуальные дозы внешнего облучения у группы населения численностью 4,5 тыс. человек составили около 46 рентген.

Заслуги ряда участников первого ядерного взрыва были отмечены в специальном Постановлении Правительства СССР.

В 1951 г. 24 сентября в 16 ч. 19 мин. был произведен наземный взрыв ядерного заряда РДС-2, установленного на 30-метровой вышке. Мощность заряда РДС-2 составила 38 кт.

Испытание воздействия поражающих факторов ядерного взрыва на самолет и экипаж провел экипаж капитана Усачева на самолете Ту-4.

18 октября 1951 г. в 9 ч. 52 мин. экипажем 71-го полигона ВВС подполковника Уржунцева К.И. впервые выполнен сброс атомной бомбы с самолета Ту-4 и проведен первый ядерный воздушный взрыв мощностью 42 кт.

В 1953 г. 12 августа проведено наземное испытание первого термоядерного заряда РДС-6 с мощностью 400 кт, установленного на башне высотой 30 м.

Испытания бомбы РДС-27 мощностью 400 кт были проведены 6 ноября 1955 г. при сбрасывании экипажем 71-го полигона ВВС во главе с командиром Мартыненко В.Ф. с самолета-носителя Ту-16.

Назначенное на 20 ноября 1955 г. испытание более мощного термоядерного заряда РДС-37 мощностью 1,6 Мт не состоялось из-за отказа радиолокационного прицела самолета-носителя Ту-16 (в условиях плотной облачности визуальное прицеливание было невозможно). Участник первых испытаний на Семипалатинском полигоне Т. Тимошенко называет другую причину несостоявшегося взрыва. «…Причиной чрезвычайной ситуации стало то, что сигнал не проходил на систему сброса бомбы. Специалисты сняли блок, заменили его другим, опробовали – все нормально… Неисправность стала поводом для серьезного разбирательства. На Ленинградском заводе, где производили этот блок, пострадало человек 40. Кого-то арестовали, кого-то уволили, кого-то судили».

22 ноября 1955 г. бомба была сброшена с самолета Ту-16 экипажем Головашко В.Ф. и взорвалась на высоте 1550 м. При этом в селе Малые Акжары в 55 км от эпицентра обвалился потолок в одном из домов. Под завалом погибла трехлетняя девочка. В районе, расположенном в 36 км от эпицентра, были засыпаны землей в окопе шесть солдат, один из них умер от удушья. Случаи разрушения остекления наблюдались в отдельных населенных пунктах, расположенных на удалении до 350 км. 2 жителя получили ранения и ушибы осколками стекол и обломками строений. Это был самый мощный взрыв, произведенный на Семипалатинском полигоне. Он наглядно показал, что для взрывов такой мощности необходим новый полигон в более «уединенном» месте.

Начиная с первого ядерного взрыва, произведенного в 1949 г., установилось длительное взаимодействие 71-го полигона ВВС с полигоном УП-2, на котором для авиаторов основными задачами были: выполнение бомбометаний с самолетов-носителей в режиме воздушных ядерных взрывов и проведение отбора продуктов взрыва из облака самолетными средствами. На самолетах, участвовавших в ядерных испытаниях, проводились наблюдения и измерения физических явлений, сопровождавших взрыв. Задачи авиационного обеспечения ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне были достаточно очевидными. Проведению натурных ядерных испытаний на УП-2 предшествовали этапы предварительных работ, выполняемые на основной базе 71-го полигона ВВС в Багерово Крымской обл. Ядерные испытания на Семипалатинском полигоне УП-2 начиная с 1949 г. и в последующие годы при авиационном обеспечении их 71-м полигоном ВВС проводились весьма успешно.

Последний ЯВ в атмосфере был проведен на опытном поле 24 декабря 1962 г.

Подземные ядерные испытания происходили на площадке «Д» («Дегелен»), расположенной в горном массиве Дегелен. Первый в СССР подземный ядерный взрыв для отработки методики испытаний новых образцов ядерных зарядов в подземных условиях, а также для проверки способов и средств дальнего обнаружения подземных взрывов был проведен в штольне В-1 11 октября 1961 г. Заряд мощностью 1 кт был установлен на глубине 125 м в концевом боксе штольни, имевшей длину 380 м.

Для предотвращения прорыва радиоактивных продуктов взрыва в штольне были установлены 3 участка забивки. Первый, длиной 40 м, состоял из щебеночной засыпки и железобетонной стенки. Через эту забивку была проложена труба для вывода потоков нейтронов и гамма-излучения к датчикам регистрирующих приборов. Второй участок имел длину 30 м и состоял из железобетонных клиньев. Третий, длиной 10 м, был сооружен на расстоянии около 200 м от заряда. Ближе к выходу были размещены 3 приборных бокса с измерительной аппаратурой. Различные измерительные приборы размещались также на поверхности.

В районе эпицентра были размещены подопытные животные. В результате взрыва поверхность горы над эпицентром поднялась на 4 м. Образовалось пылевое облако, вызванное камнепадом, но радиоактивного заражения обнаружено не было.

Подземные ЯВ в вертикальных скважинах проводились на площадке «Б» («Балапан»). Первый в СССР ядерный взрыв в скважине был произведен на площадке «Балапан» 15 января 1965 г. За все время на площадке было пройдено 118 скважин, 10 из которых остались неиспользованными, в 107 были взорваны ядерные устройства мощностью до 150 кт. В одну скважину заряд опустили, но взорвать не успели (полигон закрыли). В 1995 г. он был уничтожен (без ядерной реакции).

Кроме того, здесь проводились сейсмические испытания сооружений и техники мощными химическими взрывами.

Целью взрыва было исследование возможности использования ядерных взрывов для создания искусственных водоемов. Для эксперимента было выбрано место слияния рек Чаган и Аши-Су (первая впадает в Иртыш). Мощность заряда составляла 140 кт, глубина заложения – 178 м. В результате взрыва образовалась воронка диаметром 400—500 м и глубиной около 100 м. Величина навала породы вокруг воронки достигала 40 м. Уровень гамма-излучения на краях воронки к концу первых суток составил 30 р/ час, через 10 дней упал до 1 р/час. Образовавшееся озеро в народе прозвали Атом-Коль (Атомное озеро), также оно известно как озеро Балапан. Еще один водоем возник в пойме реки, перегороженной валом от взрыва.

Весной того же года воронку соединили с рекой каналом. Через несколько лет озеро было заселено разнообразными видами рыб, а воду из него местное население стало использовать для водопоя скота. Радиоактивное загрязнение воды озера и в конце 90-х в 20 раз превышало норму (по суммарной радиоактивности альфа-частиц). Однако по воспоминаниям И. Турчина, который руководил подготовкой заряда и его подрывом, «вода в водоеме была чистая: мы неоднократно купались в нем, ловили и ели карасей (я здоров, чувствую себя хорошо, хотя мне уже 75 лет, а тогда не было и 50)». Жительница близлежащего поселка Семей (сейчас ей более 80 лет) рассказывает, что им часто привозили рыбу с озера, она была настолько крупной и аппетитной, что люди ее расхватывали в считаные секунды. Сейчас воды реки Чаган на протяжении 10 км за пределами полигона загрязнены радиоактивным тритием (доза излучения трития в сто раз превышает естественный фон). Жители близлежащих сел купаются в реке, ловят рыбу. Специалисты института радиационной безопасности и экологии Казахстана не связывают заражение реки с Атомным озером. Основным фактором проникновения в воду реки трития они считают подземный сток, который идет с территории Семипалатинского полигона.

Взрывы в вертикальных скважинах проводились также на площадке «С» («Сары-Узень»), расположенной в урочище Муржик. Здесь проводились также «мирные» ЯВ с выбросом грунта. Именно здесь 14 октября 1965 г. был произведен второй ЯВ на выброс мощностью 1,1 кт (скважина 1003).

На площадке «А» («Актан-Берли») были проведены десятки экспериментов, в которых осуществлялись неполные цепные реакции, не относящиеся к категории ЯИ. Это гидродинамические (взрывные эксперименты с ядерными зарядами, в которых не выделяется ядерная энергия) и гидроядерные (когда количество выделенной ядерной энергии сравнимо с энергией заряда обычного ВВ) испытания. Такие эксперименты проводились в целях обеспечения ядерной взрывобезопасности зарядов в аварийных ситуациях. Первый такой эксперимент был проведен 26 августа 1957 г.