Plütonyum, nükleer silahların geliştirilmesinde tarihsel olarak kullanılan ana unsurlardan biridir. Modern nükleer kolların çoğunda kilit bölünebilir malzemedir ve 10.000 ton konvansiyonel patlayıcıya patlamasının ardından 1 kilogram spesifik plütonyum izotop P-239 eşdeğeridir.
Plütonyum, Birleşik Devletler'deki ve dünyadaki gelişmelerinin başından beri nükleer silahlarda kullanılıyor. İkinci Dünya Savaşı sırasında Robert Oppenheimer ve ekibi Las Alamos'ta yapılan testler için kritikti. Ek olarak, plütonyum radyolojik silahların geliştirilmesinde ve hem plütonyum hem de uranyum içeren karışık oksit yakıt kullanan "hızlı damızlık" nükleer silahların geliştirilmesinde uygulama görmüştür.
Plütonyum izotop 238, yaklaşık 87 yıllık bir yarı ömre sahip bir alfa vericisidir. Bu uzatılmış etki gücü, bu özel izotopu, insan bakımı veya müdahalesi olmadan uzun süreler gerektiren cihazlara veya normal insan yaşam beklentisinden çok daha uzun süren görevlere veya uygulamalara sahip cihazlara güç sağlamak için oldukça değerli kılar. Sonuç olarak, plütonyum insansız sondalar Galileo ve Cassini gibi havacılık uygulamalarıyla birlikte kullanılmıştır. Plütonyum ayrıca 1971'de Apollo 14 tarafından taşınan sismik cihazları ve diğer araçları güçlendirmek için kullanıldı. İki 1977 Voyager gemisi için ana güç kaynağıydı.
Plütonyum ile yapılan ek tarihsel deney, yapay kalp pillerinin güçlendirilmesinde ve tüplü dalgıçlara ek ısı sağlanmasında kullanımını araştırmıştır. Fizik ve kimya ortamlarında, plütonyum berilyum ile karıştırıldığında nötronların oluşturulmasında etkili bir ajan olduğunu kanıtlamıştır.
