从处于美国的核垄断威胁之下，到虽拥有核武器但仍处于核劣势的苏联，其恐惧犹甚美国。苏联从获得原子弹的那天起，便奋力追赶美国的核武器数量，由此而挑起了与美国的核军备竞赛。然而，由于工业能力比美国差一大截，一直到60年代初，苏联的原子弹还只能维持在美国的十分之一左右。苏联遂从原子弹的投掷手段上率先寻求突破。1957年8月27日，苏联先于美国发射了第一枚洲际弹道导弹（ICBM），击中了6000公里以外的目标。同年10月，苏联又发射了世界上第一颗人造卫星。美国也在同年拥有了洲际导弹。不久之后，新的导弹又被安装到了核潜艇上。
洲际导弹的出现把美苏的核军备竞赛升级带入到第二阶段：美苏两国的洲际导弹只需二十分钟就可越过北极打到彼此的国土上。不仅如此，洲际导弹还带来一个不同于战略轰炸机投掷的新特点：导弹发射出去后就收不回来了，不像轰炸机起飞后，只要还没有投弹，就还可以命令中止投弹并撤回。为了防止己方的核导弹被对方先发制攻击的核导弹摧毁在发射基地，就必须做到一旦发现对方的导弹来袭，己方的核导弹要抢在来袭导弹落地爆炸前全部发射出去。这就非常依赖探测对方导弹发射的预警系统，而这一系统能给与己方判断和下命令发射的时间最多也只有二十分钟。而一旦下达发射命令，几分钟之后，世界便走到了末日。下达发射命令者与自杀者无异。于是产生了描述美苏两家相互核摧毁的术语：相互确保摧毁（Mutually Assured Destruction，简称MAD）。
苏联还在单个核弹的威力上下功夫。1961年10月30日，苏联试爆了一颗当量为5000吨的氢弹。这是有史以来最大的核弹。这颗氢弹的最初设计当量为1亿吨。经过专家计算，认为如此大的当量可能会损及苏联自身，于是改变设计，把当量减为一半。即便如此，减半的氢弹爆炸后，整个天地霎那间变得通体血红，并且一直持续着，形同人间地狱。试验的飞机在投弹后急速飞离现场，机尾居然被爆炸冲击波追尾，以致烧焦变形。
62年苏联把核导弹运进古巴，把原先打到美国的导弹在空中飞行的二十分钟时间缩短到6分钟，使美国坐卧不安。其时美国拥有大约27,000颗核弹，苏联的核弹约为美国的十分之一。多数资料引用的美苏实战部署核弹的部分数目如下：洲际导弹美国有182枚，苏联只有42枚。战略轰炸机携带的核弹头，美国有1600颗，苏联只有160颗。此外，美国在欧洲部署了约500颗核弹，在世界其它地方（包括美国本土）还部署了数千颗核弹。美国总计实战部署约3400颗核弹。苏联在古巴部署的核弹为158颗，其中大部分被认为是针对美国可能实施入侵的战术核武器，只有6到8枚SS-4中程弹道导弹装备了百万吨级的核弹，可以打到华盛顿特区。苏联其余的实战部署数目至今不详。一般估计是美国实战部署数目的十分之一。肯尼迪总统遂摆开不惜与苏联打核战的架势，迫使苏联把核导弹撤出古巴。对应地，美国也把近距离瞄准苏联的核弹从土耳其和意大利撤出。
