Plutoniumin tunnetuin käyttökohde ovat ydinaseet, joista esimerkki on toisen maailmansodan aikana Nagasakiin pudotettu Fat Man. Ydinasekäyttöön soveltuu vain fissiili 239Pu-isotooppi, jonka isotooppinen puhtaus tai/eli väkevöintiaste pitää olla yli 90 %. Plutoniumia voidaan käyttää myös ydinpolttoaineena, jolloin fissioituva ja ketjureaktioon soveltuva nuklidi on myös 239Pu.