二战期间核能研究的主要成果集中在核裂变理论的验证、反应堆技术的突破以及核武器的实际应用。德国科学家奥托·哈恩和斯特拉斯曼于1938年发现铀核裂变现象，为核能开发奠定理论基础。美国通过曼哈顿计划实现技术转化，1942年建成首座可控核反应堆（芝加哥一号），1945年成功试爆原子弹并用于实战。德国虽起步较早，但因科学家抵制、资源分散和重水反应堆技术路线选择问题，未能完成武器化。
核能研究的军事应用直接改变了战争形态与国际格局。美国投放在广岛和长崎的原子弹展示了核武器的毁灭性威力，加速日本投降并终结二战。苏联、英国等战后迅速启动核计划，引发冷战军备竞赛。核能的双重属性——军事威慑与能源潜力——在此阶段首次显现。德国部分科学家如海森堡的研究为战后和平利用核能（如核电站）提供了技术积累，但战时成果多被盟国接收或销毁。
技术路线的分歧是影响各国研究进度的关键因素。美国采用石墨慢化剂反应堆，缩短了铀-235提纯周期；德国选择重水反应堆，但重水生产被盟军破坏。日本仁计划因铀矿短缺和东京大轰炸中断，仅完成基础理论验证。英国通过合金管计划参与美国项目，战后独立发展气冷堆技术。这些差异反映了资源、人才和战略目标的优先级选择，也奠定了后续各国核工业发展路径。
战后科学家转向和平利用，1954年苏联建成世界首座核电站。核能发电技术（如压水堆、沸水堆）直接源于战时反应堆设计。国际原子能机构（IAEA）的成立与不扩散核武器条约的签署，均以二战经验为警示。核能研究在二战中的突破，既是人类科技能力的飞跃，也迫使社会思考如何平衡安全与发展。
