Par kodolfizikas sākumu uzskata 1906. gadā uzsākto angļu fiziķa Ernesta Rezerforda (Ernest Rutherford) eksperimentu sēriju ar alfa daļiņu izkliedi, kas 1910. gadā rezultējās ar vācu fiziķa Hansa Geigera (Johannes Wilhelm "Hans" Geiger) un jaunzēlandiešu fiziķa Ernesta Marsdena (Ernest Marsden) eksperimentu ar alfa daļiņu izkliedi no zelta folijas un 1911. gadā publicēto secinājumu, ka atomam ir mazs kodols, kurā koncentrēta gandrīz visa atoma masa. 1932. gadā Džeimss Čedviks (James Chadwick) atklāja neitronu un parādīja, ka atoma kodolam ir sarežģīta struktūra. 1935. gadā Hideki Jukava (Hideki Yukawa, 湯川秀樹湯川 秀樹) radīja stiprā spēka teoriju par spēku, kas darbojas starp protoniem un neitroniem un satur kopā atoma kodolu. 1938. gadā Oto Hāns (Otto Hahn) un Frics Štrasmans (Friedrich Wilhelm "Fritz" Strassmann) eksperimentāli atklāja neitronu ierosinātu smago atomu kodolu dalīšanos, un 1939. gadā Līze Meitnere (Lise Meitner) un Oto Frišs (Otto Robert Frisch) to teorētiski izskaidroja. 1939. gadā Frederiks Žolio Kirī (Frédéric Joliot-Curie), Hanss Heinrihs fon Halbans (Hans Heinrich von Halban) un Levs Kovarskis (Lew Kowarski) novēroja, ka urāna izotops U235 daloties izdala vairākus neitronus, kas ierosināja ideju par ķēdes reakciju. Enriko Fermī (Enrico Fermi) 1942. gadā ASV radīja pirmo kodolreaktoru CP-1 (Chicago Pile-1). 1942. gadā ASV uzsāka Manhetenas projektu, kurā izveidoja pirmo atombumbu – plutonija implozijas ierīci, kas tika detonēta Trīsvienības kodolizmēģinājumā (Trinity Nuclear Test) 1945. gada 16. jūlijā. 1920. gadā Arturs Edingtons (Arthur Stanley Eddington) izteica hipotēzi, ka ūdeņraža kodolu saplūšana, veidojot hēliju, izdala ļoti daudz enerģijas un ka tas ir zvaigžņu enerģijas avots. Tā tika nosaukta par kodoltermisko enerģiju. Pirmā ierīce, kas izmantoja šo principu, bija 1952. gadā Edvarda Tellera (Edward Teller, ungāru Ede Teller) un Staņislava Ulama (Stanisław Marcin Ulam) vadībā izstrādātā ūdeņraža izotopu deiterija un tritija bumba, kas tika detonēta 1952. gada 1. novembrī Enivetokas atolā, Klusā okeāna dienvidos.
1948. gada 3. septembrī X-10 grafīta kodolreaktors Oukridžas Nacionālajā laboratorijā (Oak Ridge National Laboratory) ASV tika izmantots, lai pirmo reizi ģenerētu elektrību no kodolenerģijas. Kopš 20. gs. 50. gadiem norit mēģinājumi radīt vadāmās kodoltermiskās sintēzes reaktorus. No 1980. gada līdz 1990. gadam radās ideja par kodolatkritumu transmutāciju, izmantojot neitronu ierosinātu kodolu dalīšanos ar protonu paātrinātāju vai ātro neitronu reaktoru kā neitronu avotu. 1992. gadā franču fiziķis Žoržs Šarpaks (Georges Charpak) saņēma Nobela prēmiju fizikā par gāzu proporcionālo detektoru sistēmu izstrādi.