核武器使用的基本材料主要是铀-235或钚-239。
天然铀矿石属稀有矿物，其中的铀-235仅占0.7%，剩下的大都是不能发生链式反应的铀-238。从天然铀矿石中提取铀-235，得先把铀-238分离出去，这一加工过程即为“浓缩”。
铀浓缩需要较高的科技水平，因为铀-235和铀-238的化学性质几乎相同，无法进行常规化学分离，只能采用物理方法处理，常见的途径包括离心法、气体扩散法和激光法。
离心分离法的工作原理与洗衣机使衣物脱水的过程相似：通过每秒达2万转以上的超高速离心机，将铀-235浓度逐步提高到90%以上。至于气体扩散法，其原理虽然简单，但实现起来相当困难——铀-235与轴-238只有在极高的离心转速下才能完全分离，稍有失稳就会导致装置损坏，大多数国家都没有能力制造这样的铀气体分离装置。
韩国目前较有把握的是激光法。2004年9月14日，韩国科学技术部宣布，一家私人公司曾进口了含铀磷肥；并且向国际原子能机构通报发现了大约100公斤的铀氧化物，这是用于原子蒸发激光分离同位素试验的惟一铀来源。
另一方面，钚-239没有天然的，一般由铀-238经中子照射转换而成，需要靠人工方法对核反应堆废料进行后处理才能提取。重水堆中较多的剩余中子可以使铀-238转变为钚-239，通过控制重水堆中链式反应的进程，并及时将生成的钚-239取出，就可以在发电的同时生产出可供核武器使用的钚-239。这种获得钚-239的方法绕过了铀-235和铀-238同位素分离的技术难关，使印度、巴基斯坦等国家跨过了“核门槛”，制造出实用的核武器。
