Одновременно с работами по подготовке методики и аппаратуры, необходимых для изучения атомного взрыва, следовало решить вопрос о месте организации полигона для испытания первого ядерного заряда. При участии М. А. Садовского под полигон был выбран район в пустынной степной местности, в 120 километрах от г. Семипалатинска. В дальнейшем полигон получил наименование УП-2 МО. Определяя судьбу полигона и обслуживающего его контингента, М. А. Садовский занял твердую позицию, основанную на привлечении к работе на полигоне инженерных войск Министерства обороны, а не физиков из различных институтов Первого главного управления.
По рекомендации Н. Н. Семёнова М. А. Садовский был назначен научным руководителем полигона. На него возлагались разработка “оперативного плана подготовки полигона к испытаниям” и авторский надзор за строительством опытного поля.
В целях реализации указанного плана Михаил Александрович приступил к формированию кадрового состава полигона. При проведении испытаний первого ядерного заряда руководителем испытаний был назначен И. В. Курчатов, а научным руководителем физических измерений - М. А. Садовский. За руководство разработкой новейших приборов и методики измерения атомного взрыва ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали “Серп и Молот”, одновременно ему было присвоено звание лауреата Сталинской премии I степени.
В начале весны 1951 г. в целях безопасности полета была изготовлена и налажена аппаратура для регистрации воздействия атомного взрыва на самолет-носитель. 18 октября этого же года на полигоне была впервые сброшена атомная бомба с самолета-носителя. М. А. Садовскому за обеспечение испытаний новыми приборными разработками была присуждена Государственная премия СССР. В 1952 г. за работу “Механическое действие воздушных ударных волн взрыва по данным экспериментальных исследований” ему была присуждена ученая степень доктора технических наук. Предложенные им здесь зависимости стали базовыми для определения тротилового эквивалента атомного взрыва по ударной волне и стали известны как формулы Садовского.
В 1953 г. коллективу Садовского была поручена очень ответственная работа - разработка и подготовка измерительной аппаратуры для испытания первого термоядерного заряда РДС-6с. В проведенном 12 августа 1953 г. испытании аппаратурный комплекс зафиксировал все физические параметры. За эту работу М. А. Садовскому была присуждена Государственная премия. В этом же году он был избран членом-корреспондентом АН СССР.
Не менее сложными и напряженными для М. А. Садовского оказались и два последующих года, в течение которых на Семипалатинском полигоне были проведены 12 ядерных испытаний. Его коллектив обеспечивал проведение физических измерений.
В период 1958—1960 гг. М. А. Садовский принимал участие в ряде Женевских совещаний по разработке предложений к Договору о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах (наземные, воздушные и подводные испытания). Такой договор был подписан 5 августа 1963 г. Перед заключением договора (1961-1962) была проведена большая серия ядерных испытаний, и М. А. Садовский как научный руководитель практически постоянно находился на полигоне, принимал активное участие в обработке экспериментальных материалов и их анализе. В 1961 г. он был назначен научным руководителем первого подземного ядерного взрыва. Перед его проведением был проведен калибровочный опыт взрыва тротилового заряда. За комплекс работ по осуществлению аппаратурной регистрации коллективу сотрудников во главе с М. А. Садовским была присуждена Ленинская премия.
В начале 1968 г. М. А. Садовский вместе со своими специалистами переходит в Институт физики Земли, где избирается директором института. Объединенному коллективу предстояло решить сложные задачи, связанные с переходом на подземные виды испытаний ядерного и водородного оружия. Прежде всего необходимо было решить проблему обеспечения безопасности проведения подземных ядерных взрывов, проблему осуществления сейсмического контроля за подземными взрывами на иностранных полигонах и проблему использования подземных ядерных взрывов в мирных целях.