2016年9月9日，朝鲜政府在咸镜北道吉州郡丰溪里西南约12千米的丰溪里核试验场进行了一次核试验。此次核试验是朝鲜进行的第五次核试验，也是朝鲜在2016年内进行的第二次核试验。朝方报道称，该次试验采用了作战用的弹头来测试，代表了核武的实用化以及小型化成为现实。

朝鲜此前曾于2006年、2009年、2013年和2016年1月进行了四次核试验，均遭到国际社会普遍谴责，并违反了联合国安理会的相关决议。2016年3月，联合国安理会通过决议，对朝鲜实施了更加严厉的制裁。

朝鲜在此次核试验之前的几个月，针对其假想敌韩国和美国加强了核打击的威胁。朝鲜劳动党委员长金正恩在2016年3月曾下令，尽快试爆核弹头并试射可携带多型核弹头的弹道导弹。此后朝鲜不断试射弹道导弹，但没有试爆核弹头。另外朝鲜劳动党七大期间金正恩又下达了彻底做好第五次核试验准备的命令，并把“核与经济并进路线”写入党章。因此，外界一直猜测朝鲜或以引爆小型化核弹头的方式强行实施第五次核试验。

韩国统一部发言人郑俊熙和日本共同社都在2016年7月18日表示，朝鲜已经做好进行核试验的准备。

国际原子能机构（IAEA）总干事天野之弥在2016年8月19日发表的一份报告中表示，有迹象表明，朝鲜已经于这一年恢复了武器用钚元素的生产活动。

另外，9月9日为朝鲜国庆节，朝鲜过去也曾通过核爆及导弹试射来纪念这一节日。

2016年9月8日，美国监测朝鲜动向的网站“北纬38度线（英语：38 North）”（38 North）报道称，卫星图像显示，朝鲜的丰溪里核试验场出现挖掘和维修活动，不过当时还不清楚这些活动是否和准备本次核试验有直接关系。

2016年9月9日国际标准时间0时30分许，包括中国地震台网、美国地质调查局和日本气象厅等在内的机构均侦测到了朝鲜东北部发生了里氏5级左右、震源深度为0千米的地震，位于中朝边界的吉林省延边、白山等地均有明显震感。中国环境保护部（国家核安全局）于地震发生五分钟后启动应急预案，进入二级应急响应状态，并在中国东北地区和山东省开展辐射应急监测；日本原子力规制厅（日语：原子力規制委員会 (日本)）也紧急启动了对大气放射性物质的监测，日本防卫省也派出了航空自卫队的T-4教练机进行大气物质收集工作；最终中日两国均未检测出本国领土内的大气辐射有显著异常情况。随后韩国国防部官员表示，根据分析结果，韩方判断朝鲜进行了核试验，此次核爆当量为1万吨左右，是历次朝鲜核试验中规模最大的一次。美国加州明德大学蒙特雷国际研究学院的杰弗里·刘易斯（Jeffrey Lewis）则称，朝鲜本次核试验核爆能量有2至3万吨当量，比二战期间向日本广岛投下的原子弹的当量还要大，甚至可能超过向长崎投下的原子弹。中国科学技术大学温联星等人通过分析得出结论，本次核试验是在距离朝鲜上一次核试验地点附近几百米的地方进行，爆炸当量为1.19至2.37万吨。另据央视新闻引述相关专家的分析称，本次核试验是在上次核试验地点以西9千米的西侧坑道处进行的。

平壤时间2016年9月9日13时，朝鲜中央电视台等朝鲜官方媒体发布了核试验的消息：

声明说，由于实现了核弹头的标准化、规格化，朝鲜完全掌握多种分裂物质的生产及其应用技术，将任意按需制造小型化轻量化多种化的、打击力更大的各种核弹头，朝鲜的核武器兵器化完全达到了更高的水平，试验未对周边生态环境造成任何负面影响，并对美国等“敌对势力”进行了警告。但该声明未提及核试验的详细时间和具体地点。