El plutonio es uno de los principales elementos empleados históricamente en el desarrollo de armas nucleares. Es el material fisible clave en la mayoría de las armas nucleares modernas, con 1 kilogramo del isótopo P-239 de plutonio específico equivalente a la detonación de 10,000 toneladas de explosivo convencional.
El plutonio se ha utilizado en armas nucleares desde el comienzo de su desarrollo en los Estados Unidos y en todo el mundo. Fue fundamental para las pruebas realizadas por Robert Oppenheimer y su equipo en Las Álamos durante la Segunda Guerra Mundial. Además, el plutonio se ha aplicado en el desarrollo de armas radiológicas, así como en el desarrollo de las llamadas armas nucleares de "rápido reproductor", que utilizan un combustible de óxido mixto que contiene tanto plutonio como uranio.
El isótopo 238 de plutonio es un emisor alfa que posee una vida media de aproximadamente 87 años. Esta potencia extendida hace que este isótopo en particular sea muy valioso para suministrar energía a dispositivos que requieren largos períodos de tiempo sin intervención o mantenimiento humano o dispositivos que tienen tareas o aplicaciones mucho más largas que la esperanza de vida humana normal. En consecuencia, el plutonio se ha utilizado junto con aplicaciones aeroespaciales, como en las sondas no tripuladas Galileo y Cassini. El plutonio también se usó para alimentar dispositivos sísmicos y otras herramientas transportadas por el Apollo 14 en 1971. Fue la fuente de alimentación principal para las dos naves Voyager de 1977.
La experimentación histórica adicional con plutonio ha investigado su uso para impulsar marcapasos artificiales y para proporcionar calor adicional a los buceadores. En entornos de física y química, el plutonio ha demostrado ser un agente eficaz para crear neutrones cuando se mezcla con berilio.
