地下核试分为平洞和竖井两种，中国原定于1960年5月9日首次进行平洞试验，但为了更快取得实用导弹弹头，并集中力量研制氢弹，这次试验改为测量弹头威力和性能的大气层试验，直到1969年9月23日00∶15时才首次进行平洞核试验。1978年12月17日的第二次平洞核试验取得大量重要数据，对后来的地下核试验贡献良多。1976年10月17日的第三次平洞核试首度在花岗岩内进行。1984年12月19日的第五次平洞核试是中子弹的首次原理实验。这颗验证弹圆满成功并为全面突破中子弹技术瓶颈和首次中子弹核试验打下了基础，并在时程上反驳了美国对中国“窃取”中子弹机密的指控。
中国在1967年4月选定罗布泊西北的辛格耳为竖井核试验场，这种方式是地下核试验的主要类型。1975年4月钻成深300公尺，直径2.5公尺的第一口花岗岩竖井，但直到1978年10月14日09∶00时才首次竖井核试验成功。1980年10月16日的大气层核试验后，后来的中国核试全面转入地下；包括中子弹和近年的核试，也都采用竖井方式。在60年代至70年代，由于对科学规律认识不充分，中国有3次核试全部或局部失败，但比例并不高。
从1964年11月2日起，外国开始记录罗布泊地震数据，从全球标准化地震研究网和地震联合研究机构等地震记录，可获得特定的波形，有部分地震站定期向美国国家地震资讯中心和美国国际地震中心报告。90年代中期，美国利用电脑程序一天三次自动访问国家地震资讯中心的数据库，监控中国的核试验情况。西方自1972年10月3日开始利用商业卫星侦察罗布泊核试验场，采用多光谱扫描、反射束光导摄像管、地形测绘仪、高解析度照相机、红外侦察仪器、航天飞机的合成孔径雷达等，宇航员也进行人工摄影。罗布泊在北部以西约2300公里，曾选择甘肃敦煌以西，新疆罗布泊以北4个地点，中俄两国专家都认为敦煌以西160公里的地区最好。核试验场分3个区。马兰科学城位于试验场西北，在两条干线公路交汇点附近是主要指挥所和技术人员居住区。马兰西北几十公里有一个保密研究所，即核试验中心，三面环山，有一条对外公路。核试验在试验场东南方距马兰不远的沙漠中进行。中央分区在马兰分区和东南分区之间，是地下核试验场，但早年也进行过几次低当量地面核试验。中央分区又分为3个地下核试验区；南部试验区在大山中；1969年9月22日和1975年10月27日的头2次地下核试验就在此进行。这两次核试验检验了地下核爆炸的封闭技术。这两次试验后，平洞核试验转移到西部试验区，这个试验区的核试验都是低当量的，在试验的同时也检验了地震武器的试验数据和核试场的安全性、合理性。中子弹的原理性试验和首次试爆都是在此进行的。东部试验区是西山之间的一块低斜坡地，进行深竖井地下核试验。近年的核试验有很多在此进行，包括东风-41的弹头试验。
截止到1998年5月底为止，全世界总共进行了2058次核试验，其中美国进行了1032次，前苏联进行715次，法国进行了210次，英国进行了45次，中国45次，印度5次，巴基斯坦6次