大气层核试验的目的是：测量核爆炸的反应过程，分析核爆炸产物，测定核爆炸威力，以确定被试验的核装置的性能；对核爆炸产生的力学、光学、核辐射、电磁脉冲和
放射性沾染等效应进行观测和研究，为核爆炸防护和核武器使用提供数据。后一目的是其他核试验方式不便实现的。为确保安全，大气层核试验要求有保障试验安全的场地和适宜的气象条件。试验的核装置可通过飞机、火箭或气球送到预定高度实施爆炸，也可置于塔架、地面和水面上实施爆炸。大气层核试验有利于大威力试验，且方法简单、易于实施，特别是能直接观测、研究核爆炸效应等。但大气层核试验的规模较大，会造成一定程度的放射性沾染，不便于在近距离进行射线物理测量，也不利于核装置性能的保密。大气层核试验造成的放射性沾染程度与爆炸高度有关，当比高大于150米/（千吨梯恩梯当量）1/3时，爆炸气浪掀起的地面尘柱不与核爆炸烟云相接，可以大大减少近区放射性沾染。低空核爆炸、地面核爆炸和水面核爆炸，由于有大量尘土或水进入烟云，会造成比较严重的近区放射性沾染。核武器国家进行一定数量的大气层核试验后，都相继停止了该方式试验。