Il plutonio è uno dei principali elementi storicamente impiegati nello sviluppo di armi nucleari. È il materiale fissile chiave nella maggior parte delle armi nucleari moderne, con 1 chilogrammo di isotopo di plutonio specifico P-239 equivalente alla detonazione a 10.000 tonnellate di esplosivo convenzionale.
Il plutonio è stato usato nelle armi nucleari sin dall'inizio del loro sviluppo negli Stati Uniti e in tutto il mondo. È stato fondamentale per i test condotti da Robert Oppenheimer e dal suo team a Las Alamos durante la seconda guerra mondiale. Inoltre, il plutonio ha visto l'applicazione nello sviluppo di armi radiologiche, nonché nello sviluppo di quelle che vengono chiamate armi nucleari "ad alta velocità", che utilizzano un combustibile a ossidi misti contenente sia plutonio che uranio.
L'isotopo 238 del plutonio è un emettitore alfa che possiede un'emivita di circa 87 anni. Questa potenza estesa rende questo particolare isotopo estremamente prezioso per fornire energia a dispositivi che richiedono lunghi periodi senza manutenzione o intervento umano o dispositivi che hanno compiti o applicazioni molto più lunghi della normale aspettativa di vita umana. Di conseguenza, il plutonio è stato usato in congiunzione con applicazioni aerospaziali, come nelle sonde senza pilota Galileo e Cassini. Il plutonio era anche usato per alimentare dispositivi sismici e altri strumenti portati dall'Apollo 14 nel 1971. Era il principale alimentatore per le due navi Voyager del 1977.
Ulteriori sperimentazioni storiche con il plutonio hanno studiato il suo utilizzo nell'attivazione di pacemaker artificiali e nel fornire calore supplementare ai subacquei. In ambito fisico e chimico, il plutonio si è dimostrato un agente efficace nella creazione di neutroni quando miscelato con il berillio.
