Le plutonium est l'un des éléments majeurs historiquement utilisés dans le développement des armes nucléaires. C'est la matière fissile clé dans la plupart des armes nucléaires modernes, avec 1 kilogramme de l'isotope spécifique du plutonium P-239 équivalent lors de la détonation à 10 000 tonnes d'explosif conventionnel.
Le plutonium est utilisé dans les armes nucléaires depuis le tout début de leur développement aux États-Unis et dans le monde. C'était essentiel pour les tests menés par Robert Oppenheimer et son équipe à Las Alamos pendant la Seconde Guerre mondiale. De plus, le plutonium a trouvé des applications dans le développement d'armes radiologiques, ainsi que dans le développement de ce qu'on appelle des armes nucléaires « à surgénération rapide », qui utilisent un combustible à oxyde mixte contenant à la fois du plutonium et de l'uranium.
L'isotope 238 du plutonium est un émetteur alpha qui possède une demi-vie d'environ 87 ans. Cette puissance étendue rend cet isotope particulier très précieux pour alimenter des appareils qui nécessitent de longues périodes sans maintenance ni intervention humaine ou des appareils dont les tâches ou les applications sont beaucoup plus longues que l'espérance de vie humaine normale. Par conséquent, le plutonium a été utilisé en conjonction avec des applications aérospatiales, comme dans les sondes sans pilote Galileo et Cassini. Le plutonium a également été utilisé pour alimenter des dispositifs sismiques et d'autres outils transportés par Apollo 14 en 1971. C'était l'alimentation principale des deux vaisseaux Voyager de 1977.
Une expérimentation historique supplémentaire avec le plutonium a étudié son utilisation dans l'alimentation des stimulateurs cardiaques artificiels et dans la fourniture de chaleur supplémentaire aux plongeurs. En physique et en chimie, le plutonium s'est avéré être un agent efficace pour créer des neutrons lorsqu'il est mélangé au béryllium.
