Мощность бомбы составила 22 килотонны. Создание полигона было частью атомного проекта, и выбор был сделан, как оказалось впоследствии, весьма удачно — рельеф местности позволил проводить подземные ядерные взрывы и в штольнях, и в скважинах.

12 августа 1953 года на полигоне был испытан термоядерный заряд РДС-6с мощностью 400 килотонн. Взрыв был низкий воздушный, заряд размещался на башне на высоте 30 м над землёй. В результате этого испытания часть полигона была очень сильно заражена радиоактивными продуктами взрыва и до сих пор в некоторых местах сохраняется небольшой фон.

22 ноября 1955 года было проведено испытание термоядерной бомбы РДС-37 на высоте около 2 км сбрасыванием с самолёта.

11 октября 1961 года на полигоне был произведен первый в СССР подземный ядерный взрыв.

После вступления в силу Международного договора о запрещении ядерных испытаний в трёх средах (в воздухе, космосе и под водой), подписанного 10 октября 1963 в Москве между СССР, США и Великобританией, на полигоне стали проводиться только подземные взрывы.

С 1949 по 1989 год на Семипалатинском ядерном полигоне было произведено не менее 468 ядерных испытаний, в которых было взорвано не менее 616 ядерных и термоядерных устройств, в том числе: 125 атмосферных (26 наземных, 91 воздушных, 8 высотных); 343 испытательных ядерных взрыва под землёй (из них 215 в штольнях и 128 в скважинах). Были проведены также десятки гидроядерных и гидродинамических испытаний (т. н. «НЦР» — неполные цепные реакции). Суммарная мощность ядерных зарядов, испытанных в период с 1949 по 1963 годы на Семипалатинском полигоне, в 2500 раз превысила мощность атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. За пределы полигона вышли радиоактивные облака 55 воздушных и наземных взрывов и газовая фракция 169 подземных испытаний. Именно эти 224 взрыва обусловили радиационное загрязнение всей восточной части территории Казахстана.

В 1989 году известным казахстанским общественным деятелем Олжасом Сулейменовым было создано движение Невада — Семипалатинск, объединившее жертв ядерных испытаний по всему миру.

С 1989 года ядерные испытания не проводятся.

С 1996 по 2012 годы (значительная часть работ — в 2012 году) Казахстан, Россия и США проводили на полигоне секретную операцию по поиску и сбору расщепляющихся материалов, в частности, около 200 кг плутония, а также оборудования, использовавшегося для создания и испытания ядерного оружия. Наличие этого плутония и точная информация об операции были скрыты от МАГАТЭ. На эти работы было потрачено 150 млн. долларов США, часть работ финансировались по программе Нанна-Лугара (Программа совместного уменьшения угрозы), часть — напрямую LANL. Полигон практически не охранялся, и, гипотетически, плутоний, собранный на нём, мог быть использован для актов ядерного терроризма или передан в третьи страны для создания ядерного оружия. Значительная часть материалов находилась в районе горного массива Дегелен, которая участниками программы условно называлась «Плутониевая гора».

Управление по САО Главного управления МЧС России по г. Москве,на основании письма заместителя Министра МЧС России А. П. Чуприяна от 25.07.2016 № 13-3738-14, сообщает, что…«в соответствии с пунктом 3 Правил отнесения граждан к категории лиц, подвергшихся радиационному воздействию вследствие ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 15 ноября 2004года № 634, МЧС России, проведены конкурсные процедуры об определении организации, осуществляющей расчет и выдачу заключений о полученной суммарной (накопленной) эффективной дозе облучения вследствие ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне.

По результатам проведения конкурса указанные функции возложенны на краевое государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт региональных медико-экологических проблем» ( пр. Строителей, д. 29а, г. Барнаул, 656031)».