1953年5月25日，在美國內華達州進行了原子炮的第一次射擊試驗。小型蘑菇雲的騰起，昭示著一種新型戰術核武器已經誕生。

美國第一門原子炮口徑為280毫米，射程32千米，以水壓裝彈。其威力相當于廣島型原子彈的四分之一，相當4000發155毫米炮彈的威力。這種原子炮的編號為“280毫米A型炮”，一個原子炮兵連包括：2門原子炮、4輛牽引車和8輛運送核炮彈和人員的卡車。

原子炮試射成功後，很快就運到冷戰的最前線——西德的萊茵河地區。當時，美軍駐西德部隊部署一個原子炮兵營，6門原子大炮，成為北約對付華約最重要的利器。

280毫米原子炮一直使用到1963年。隨著核炮彈從Mk9改進到Mk19/W19而逐步小型化，這種280毫米的原子大炮也作為預備兵器封存起來。

在核炮彈的研制上，美軍也不甘落後。早在1953年，美海軍就著手研制用于“衣阿華”級戰列艦上406毫米火炮的核炮彈，1956年開始列裝，並命名為“Mk23/W23”核炮彈。它和美國陸軍的核炮彈一樣，為內爆式核彈頭。但是，這些裝備核炮彈的美軍艦艇于1955年相繼退役。這樣，Mk23核炮彈一直未能在實戰中使用，直到1959年退出現役。再後來，“依阿華”級戰列艦中，有的又回歸現役，但是，已不再配置核炮彈，其核攻擊任務由“戰斧”巡航導彈來擔當。
與此同時，美陸軍對核炮彈的研制也樂此不疲。開始時，美軍專心致力于研制240毫米原子炮及相應的Mk32核炮彈，後來轉而研制203毫米的可發射核炮彈的榴彈炮。相對應的核炮彈為Mk33型，1956年達到實用化。在核炮彈上都配有安全裝置和指令失效裝置，以防止未經批準而動用，或在可使用狀態下被恐怖竊取。
後來，核炮彈進一步小型化。1963年列裝的Mk48核炮彈用155毫米的M109Al/A2自行榴彈炮、M198牽引榴彈炮和M114A1榴彈炮發射，彈長864毫米，重量僅為54千克，只相當于Mk33的一半，其威力減小到1000噸當量。到20世紀80年代末，美軍已部署了約5000枚核炮彈。

20世紀60年代末70年代初，美軍為了推動核炮彈的現代化，又開始研制新型核炮彈，也就是開始研制可供203毫米榴彈炮使用的W75及供155毫米榴彈炮使用的W74兩種核彈頭，但是，研制工作于1973年停止了，這是因為爆炸當量可以控制、輻射強度得到加強的中子彈的研制工作獲得了發展。

這種中子彈叫做W79，1973年開始研制，1981年試制成功並投入使用。W79-0型有兩種使用方式，一是裂變，一是做中子彈用。W79-1型中子彈的爆炸當量降低了50%，為2000噸當量，最初生產了800多發，有大約300多發配發給部隊。還有一種口徑為155毫米的核炮彈叫做W82，彈頭長871毫米，重量只有43千克。這種彈1976年開始研制，1981年投入生產，爆炸當量低于2000噸，生產了2000發。美軍從1986年起將它作為實戰裝備使用。