核间谍指擅自向其他国家泄露有关核武器的国家机密。在核武器的历史上有许多已知的核间谍案件，也有不少怀疑或指控从事间谍活动的案件。核武器一般被视为是最重要的国家机密，因此所有拥有核武器的国家都对提供有关核武器设计、储存、输送系统和部署的信息进行严格的限制，各国也仅限于把他们的核武器信息在不扩散核武器条约公开。

第二次世界大战期间，曼哈顿计划成员美国、英国和加拿大合力制造第一批核武器期间，有参与项目的科学家或技术人员把核弹开发和设计的情报传送到苏联，这些“原子间谍”的工作一直持续至冷战初期。大部分案件因20世纪50年代反共主义盛行而广为人知，而具体细节则长期存在争议，虽然有些争议在公开“薇诺娜计划”有关截获和解密间谍通讯的文字记录后平息，但有些问题尚未解决。

间谍情报有否加快苏联研发原子弹进度也存在争议。虽然苏联获得一些有助发展核武器的情报，如克劳斯·富克斯给予的技术性理论知识，但由于苏联核武器项目主管不信任间谍情报和该国科学家，只把相关情报用作核对该国科学家的研究结果而没有共享情报，因此学者怀疑情报对增加发展速度的作用。后来的学术研究也显示早期苏联发展核武器的决定性要素不是武器设计，而跟曼哈顿计划一样是采购核裂变材料，尤其苏联在计划开始时没有已知的铀矿，与美国情况不同。

1986年，一位在迪莫纳附近核设施工作的前技术人员莫迪凯·瓦努努向英国新闻界透露有关以色列核武器计划的情报，证实以色列秘密拥有先进的核武器，而以色列当局从来没有承认或否认拥有核武器计划，其后瓦努努被绑架并送返以色列接受闭门审讯，被裁定从事叛国和间谍活动。瓦努努是否真正参与间谍活动本身存在争议，他和支持者声称这只是揭露秘密及非法行为，而他的反对者则视他为叛徒，为帮助以色列的敌人而泄露情报。瓦努努在离开以色列约一年后才发放他的资料和照片。这个事件的政治成分引起激烈争论。

1999年，美国众议院美中国家安全和军事/商业关系特设委员会发表的报告（被称为“考克斯报告”）中透露，美国安全机构相信中华人民共和国持续对美国的核武器设计实验室进行核间谍活动，尤其是洛斯阿拉莫斯国家实验室、劳伦斯利福摩尔国家实验室、橡树岭国家实验室和桑迪亚国家实验室。根据该报告，中国自20世纪70年代以来“偷走所有关于美国最先进的热核弹头机密资料”，包括先进微型热核弹头（可用于分导式多弹头）、中子弹和有关核试验电脑模拟程式编码（中国因此可以在没有测试武器本身的情况下改良武器）的设计。美国在1995年前对中国核间谍活动毫不知情。在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的科学家李文和因该报告的调查被逮捕，当局对他提供武器情报给中国的指控失败，他最终只被判处理数据不当。《猎虎行动：失窃的核武机密》（Tiger Trap: America′s Secret Spy War with China）对于此事有专章叙述。

2004年1月，巴基斯坦核子科学家阿巴杜·卡迪尔·汗承认向利比亚、伊朗和北朝鲜出售核武器技术。根据他的证词和情报机构报告，他向三国出售气体离心机（用作提炼浓缩铀）的设计、中国的核弹头设计以及实体离心机。他被指从荷兰的欧洲浓缩铀公司（Urenco）偷取气体离心机的设计，用作启动巴基斯坦的核武器计划。 2004年2月5日，他获得巴基斯坦总统佩尔韦兹·穆沙拉夫宣布赦免，巴基斯坦政府声称没有参与间谍活动，但拒绝把阿巴杜·卡迪尔·汗交给国际原子能机构接受盘问。