И. В. Курчатов лично отвечал и за разработку самой атомной бомбы. Принятым в июне 1946 г. постановлением СМ СССР на него возлагалось научное руководство ее созданием. А постановлением СМ СССР от июня 1947 г. он был назначен председателем Научно-технического совета при Лаборатории №2 АН СССР по вопросам разработки атомных бомб и их узлов. Специальный комитет назначил И. В. Курчатова и научным руководителем испытания первой атомной бомбы РДС-1, которое было успешно проведено 29 августа 1949 г. Оно имело важнейшее значение для нашей страны. Это испытание положило конец американской монополии на обладание атомным оружием. Огромные заслуги И. В. Курчатова перед страной были отмечены тогда присвоением ему звания Героя Социалистического Труда и присуждением второй Сталинской премии.
В 1951 г. под научным руководством И. В. Курчатова были проведены испытания двух усовершенствованных атомных бомб РДС-2 и РДС-3, в одной из которых плутоний использовался комбинированно с ураном-235. В организации производства урана-235 была немалая заслуга и лично И. В. Курчатова. В этом же году И. В. Курчатов получает вторую звезду Героя Социалистического Труда и ему присуждается третья Сталинская премия.
12 августа 1953 г. была испытана первая отечественная термоядерная бомба РДС-6с. Ее создание явилось результатом работы группы И. Е. Тамма, организованной в 1948 г. по предложению И. В. Курчатова. В основе конструкции РДС-6с лежали идеи А. Д. Сахарова и В. Л. Гинзбурга. Научное руководство испытанием РДС-6с опять осуществлял И. В. Курчатов. За эту работу он получил третью звезду Героя Социалистического Труда и ему была присуждена четвертая Сталинская премия.
Несмотря на успехи 1953 г. для обеспечения стратегического ядерного равновесия с США было необходимо существенное повышение характеристик термоядерного оружия. Выбранный в конце 1953 г. и утвержденный специальным постановлением правительства путь усовершенствования РДС-6с оказался неэффективным. Весной 1954 г. учеными КБ-11 была выявлена возможность создания принципиально новых высокоэффективных термоядерных зарядов двухступенчатой конструкции. Для реализации новой возможности была необходима переориентация работ КБ-11, что вступало в противоречие с выполнением принятого постановления Совета Министров. И. В. Курчатов решительно поддержал переориентацию работ КБ-11 и способствовал принятию в 1955 г. правительственных решений, открывших дорогу в жизнь новому направлению конструирования термоядерных зарядов. В 1954-1955 гг. был разработан и 22 ноября 1955 г. успешно испытан первый отечественный двухступенчатый термоядерный заряд РДС-37, ставший прототипом современного термоядерного оружия. Научным руководителем испытания РДС-37 был И. В. Курчатов, которому пришлось принимать при подготовке и проведении этого испытания чрезвычайно ответственные решения. За работы по созданию РДС-37 И. В. Курчатову была присуждена Ленинская премия, которую он получил в 1957 г. вместе с Я. Б. Зельдовичем, А. Д. Сахаровым и Ю. Б. Харитоном.
Участвуя в работах по созданию атомной промышленности и ядерного оружия, И. В. Курчатов постоянно стремился к широкому использованию атомной энергии и созданного атомного потенциала. В сфере его интересов были атомная энергетика, флот, летательные аппараты и позднее космос. Первая в мире атомная электростанция в Обнинске и очень скоро - самая крупная по тем временам атомная электростанция в Воронеже. С размахом, с далеким видением перспективы закладывались основы атомной энергетики Советского Союза.
Овладение управляемым термоядерным синтезом было заветной мечтой И. В. Курчатова. С начала 50-х годов он не только активно развивал эти работы в своем институте и участвовал в них, но и организовывал их в Советском Союзе. Его знаменитый доклад в Харуэлле (Англия) в 1956 г. повлиял на программу термоядерных исследований во всем мире, открыл эпоху международного сотрудничества в этой области и способствовал созданию транснационального термоядерного сообщества ученых и инженеров.
И. В. Курчатов поддержал ускорительные идеи В. И. Векслера и организовал сооружение в Дубне самого мощного тогда в мире синхрофазотрона. При участии И. В. Курчатова в 1954 г. было принято решение о строительстве ускорителей высоких энергий в Харькове, Гатчине и Протвино. У себя в институте он создал лабораторию новых методов ускорения под руководством Г. И. Будкера.