Plutonium là một trong những nguyên tố chính được sử dụng trong lịch sử để phát triển vũ khí hạt nhân. Nó là vật liệu phân hạch quan trọng trong hầu hết các vũ khí hạt nhân hiện đại, với 1 kg đồng vị plutonium cụ thể P-239 tương đương khi kích nổ cho 10.000 tấn thuốc nổ thông thường.
Plutonium đã được sử dụng trong vũ khí hạt nhân ngay từ những ngày đầu phát triển ở Hoa Kỳ và trên toàn thế giới. Nó rất quan trọng đối với thử nghiệm được thực hiện bởi Robert Oppenheimer và nhóm của ông tại Las Alamos trong Thế chiến II. Ngoài ra, plutonium đã được ứng dụng trong việc phát triển vũ khí phóng xạ, cũng như trong việc phát triển thứ được gọi là vũ khí hạt nhân "sinh sản nhanh", sử dụng nhiên liệu oxit hỗn hợp có chứa cả plutonium và uranium.
Đồng vị Plutonium 238 là một chất phát alpha có chu kỳ bán rã xấp xỉ 87 năm. Hiệu lực mở rộng này làm cho đồng vị đặc biệt này có giá trị cao để cung cấp năng lượng cho các thiết bị cần thời gian dài mà không có sự can thiệp hoặc bảo trì của con người hoặc các thiết bị có nhiệm vụ hoặc ứng dụng dài hơn rất nhiều so với tuổi thọ bình thường của con người. Do đó, plutonium đã được sử dụng cùng với các ứng dụng hàng không vũ trụ, chẳng hạn như trong các tàu thăm dò không người lái Galileo và Cassini. Plutonium cũng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị địa chấn và các công cụ khác do tàu Apollo 14 mang theo vào năm 1971. Nó là nguồn cung cấp năng lượng chính cho hai tàu Voyager năm 1977.
Thử nghiệm lịch sử bổ sung với plutonium đã nghiên cứu việc sử dụng nó trong việc cung cấp năng lượng cho máy điều hòa nhịp tim nhân tạo và cung cấp nhiệt bổ sung cho những người lặn biển. Trong môi trường vật lý và hóa học, plutonium đã được chứng minh là một tác nhân hiệu quả trong việc tạo ra neutron khi trộn với berili.
