Dans le cadre des lois de programmation militaire, le CEA développe les programmes nécessaires pour garantir la pérennité de la dissuasion nucléaire française. A la suite de l'arrêt des essais nucléaires, il met en œuvre le programme Simulation, qui s'appuie sur d'importants moyens expérimentaux et de calcul (Airix, Laser Mégajoule, Supercalculateur Tera).
En matière de propulsion nucléaire (sous-marins, porte-avions), le CEA est notamment responsable de la conception et de la maintenance des réacteurs.
Il intervient enfin dans les instances nationales et internationales, où il contribue à la surveillance du respect des traités internationaux tels que le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires (TICE). Il participe à la lutte contre la prolifération des armes nucléaires et le terrorisme.
Le CEA a pour mission de créer et d'exploiter le Centre national d'alerte aux tsunamis pour les côtes françaises. Cette mission couvre une zone allant de l’Atlantique nord-est à la Méditerranée occidentale. Le centre sera opérationnel mi-2012.