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核武器爆炸的威力激发了各国对核武器和核材料进行管控的动力，垄断核武器的美国不可能接受国际社会对其核武器的任何管控。随后几年，苏联、英国和法国相继研制出核武器，美国核武器垄断地位被打破，管控核武器更无可能。国际社会有关核的管控努力转向核材料，此即核安全全球治理的缘起。
冷战期间的核安全全球治理主要体现为对和平利用核能的管理，加强对核材料、核技术转移的控制，防范无核国家通过发展民用核能来发展核武器。这期间的制度建设包括成立国际原子能机构，谈判达成《不扩散核武器条约》（NPT）确立国际原子能机构的国际法律地位，谈判达成《核材料实物保护公约》（Convention on the Physical Protection of Nuclear Material，简称CPPNM），建立桑戈委员会（Zangger Committee，简称ZAC）和核供应国集团（Nuclear Suppliers Group，NSG）等多边机制规范核设备与核材料的转让等。
美国在1946年6月提出巴鲁克计划，旨在保持美国核垄断并防止核扩散，其中包括提议设立国际原子能开发局，掌管或控制各国发展和使用原子能的一切活动，但遭到了苏联的强烈反对。几年后，美国的核垄断地位被打破，管控核武器更无可能，国际社会的努力开始转向管理核能的开发与利用。
1953年12月，美国总统艾森豪威尔在联合国大会发表了著名的演说“原子能为和平”（Atoms for Peace），提出成立国际原子能机构，要求各国向该机构捐献核材料，原子能机构制定将核能用于和平目的（农业、医疗、发电等）的措施。 [19] 艾森豪威尔的演说最终催生了国际原子能机构。美苏以及其他生产核材料的国家就国际原子能机构的章程进行了长时间的谈判，谈判的关键是该机构对置于其支配下的核材料的控制权以及该机构有无权力视察非军用材料的双边或者多边协定。 [20] 各方最终于1956年10月达成妥协，通过了国际原子能机构《规约》（IAEA Statue），次年《规约》生效，国际原子能机构宣告成立。
国际原子能机构是核安全全球治理的最初制度性安排。根据《规约》，国际原子能机构有三个工作支柱：一是保障与核查，根据与各国缔结的法律协定核实各国核材料和核活动只用于和平目的，并对此保障视察；二是安全与安保，包括制订安全标准、安全规范以及安全导则，帮助成员国适用这些标准、规范和导则；三是科学与技术，包括对卫生、农业、能源、环境和其他领域中的核应用提供技术和研究支持。 [21] 国际原子能机构初期的保障监督体系仅限于研究堆和实验堆，后来逐步扩展到所有反应堆以及后处理厂和燃料制造厂。一直到20世纪60年代末，通常都是从事民用核能利用的国家自行决定核交易或者核活动是否接受国际原子能机构的保障监督，而这一时期美苏两个核大国曾经向很多国家出口了浓缩铀。
《不扩散核武器条约》的签署增加了国际原子能机构的授权，强化了对核交易和核活动的管控。该条约1968年谈判成功、开放签署并于1970年生效。条约第三条明确规定：“每个无核武器的缔约国承诺接受按照国际原子能机构规约及该机构的保障制度与该机构谈判缔结的协定中所规定的各项保障措施，其目的专为核查本国根据本条约所承担的义务的履行情况，以防止将核能从和平用途转用于核武器或其他核爆炸装置。” [22] 《不扩散核武器条约》三个支柱（防扩散、和平利用核能与核裁军）是处理当前国际核问题的重要依托，其中防扩散与促进和平利用核能成为国际原子能机构的重要使命，这也恰好与国际原子能机构《规约》中所规定的三个工作支柱相对应。此后，所有民用核能的合作都少不了国际原子能机构的参与，该机构在推进核能民用的同时，通过核查、视察等保障监督措施防范民用核设施和核材料转为军用或者其他用途。过去几十年中所有涉及核扩散的案例中，包括伊拉克、朝鲜、伊朗、叙利亚等，国际原子能机构始终是国际社会依托的重要力量。如果国际原子能机构发现民用核设施或者核材料转为其他非民用用途，它将发出警告，甚至提交联合国安理会。
进一步强化核物项管控的多边机制也在20世纪70年代形成，此即“桑戈委员会”和“核供应国集团”。根据《不扩散核武器条约》条款，如果条约成员国向无核国家提供原料、裂变材料，或者提供用于处理、使用、生产裂变材料的设备、原料，均将接受国际原子能机构的保障监督。1971—1974年，在瑞士教授克劳德·桑戈（Claude Zangger）的主持下，15个核供应国在维也纳举行了一系列非正式会议，起草这样一个会触发国际原子能机构保障监督的“清单”。 [23] 1974年，参会代表就“触发清单”达成共识，该清单设定了出口的三个标准：保证这些物项不用于爆炸目的、接受国际原子能机构的保障监督、进口国再出口必须接受同样的保障监督条款。起草这个“触发清单”的委员会被称为“桑戈委员会”。委员会“触发清单”由A、B两个备忘录和一个附件组成。备忘录对原材料和特种裂变材料以及为加工、使用或生产特种裂变材料而设计或制造的设备或材料出口作了界定，并规定出口“触发清单”上的项目须接受国际原子能机构的保障监督。该委员会的决定和“触发清单”对成员国没有法律约束力，只是对各国制定核出口政策起指导作用。1974年以后，该委员会根据情况变化，数次评估、更新和补充了清单内容。
桑戈委员会的出口管制措施仅仅适用于不是《不扩散核武器条约》成员国的无核武器国家，核供应国集团的成立则进一步将相应的管控措施扩大到所有无核武器国家。20世纪70年代初，由于石油输出国组织提高油价，很多国家开始发展核电，而法国和德国进一步开放市场，输出铀浓缩和后处理等敏感设备，核技术和核材料进一步扩散的风险加大，与此同时，印度于1974年进行了所谓的“和平核试爆”。这些事态促使美国协调其他几个核出口国加强对敏感物项的管控。1975年11月，几个核供应国在伦敦成立“核供应国集团”，又称“伦敦俱乐部”。这个组织经过讨论，形成了对敏感物项出口的“转让准则”和“触发清单”，严格限制敏感核物项及与核相关的两用品和技术的出口，并要求核物项及其两用品的出口应该有全面保障监督（Comprehensive Safeguards）措施、实物保护措施等。 [24]
冷战结束前，另外一项加强核安保的制度建设是《核材料实物保护公约》。该公约于1980年3月开放签署，并于1987年生效。这是民用核材料实物保护领域中唯一的国际法文书。公约的主旨是保护核材料在国际运输中的安保，防止未经政府批准或者授权的集团或个人获取、使用或扩散核材料，并在追回和保护丢失或被窃的核材料、惩处或引渡被控罪犯方面加强国际合作，对公约范围内的犯罪建立普遍管辖权，防止核武器扩散。 [25]
冷战期间涉及核设备、核材料、核技术、核两用品的所有制度建设与当前明确针对核安保的国际努力和国际制度建设有一定区别。首先，这些机构的建立和制度的形成都具有鲜明的防扩散特点。美国最先拥有核武器后，希望通过建立类似巴鲁克计划这样的国际制度，防止其他国家发展核武器，维持其核垄断地位。随后，美国、苏联和英国等国拥核后又试图限制其他国家获得核武器，谈判缔结《部分禁止核试验条约》（Partial Test Ban Treaty，简称PTBT，全称为《禁止在大气层、外层空间和水下进行核武器试验条约》）即有此种意图。国际原子能机构的成立意在促进和平利用核能，但更重要的任务是防范其他国家通过和平利用核能发展核武器。《不扩散核武器条约》赋予国际原子能机构更大授权，监管从事和平利用核能的国家，防范这些“无核国家”秘密发展核武器。桑戈委员会和核供应国集团所确立的“转让准则”和“触发清单”从源头上限制涉敏感核物项出口和转移，并强化了监管力度。冷战时期有核国家在防范核扩散方面存在基本共识，通过这些制度构建限制了“核俱乐部”的扩大，其防范对象主要是国家而不是非国家行为体。其次，核安全在冷战时期并非重大问题。冷战时期的两极对抗结构决定了美苏对各自阵营的有效管控，遏制了多数国家的核扩散冲动。即使冷战时期曾经出现过类似当前“恐怖袭击”之类的活动，但均与核无关。恐怖组织或者恐怖分子欠缺涉核的恐怖意愿或者行动。冷战时期，唯一具有鲜明核安保内涵的条约是《核材料实物保护公约》。美国虽然曾经关注过核安保问题，但都属于偶发的、零星的，恐怖组织或者恐怖分子并不是国际制度建设的关注对象；在其他国家，核安保同样并不是重大问题。冷战期间曾经出现的三里岛核事故和切尔诺贝利核电站事故，的确引起了对核安全的重视，但更多的是对核反应堆本身运营安全的重视，并不涉及核材料、其他放射性物质及其附属设施的盗窃、蓄意破坏、非授权进入、非法转移和其他恶意行为。更重要的是，核能力与核资产是任何拥有此能力的国家“皇冠上的明珠”，相应的安保防范措施比较严格，一般的个体很难从事盗窃、破坏等行动。最后，冷战时期核安全全球治理仍属于小众问题，所有的制度建设都着眼于从源头上防控核设备、核材料、核技术及其两用品的无序、无保障监督出口，其初衷是防范核扩散和协调核出口竞争。核出口国是这一时期核安全全球治理的主角，其他国家更多是被防范和限制的对象。即便如此，这些制度的建设仍然对后来的核安全治理做出了贡献，涉核设备、材料和技术的出口管控不断得到强化。
虽然冷战时期的核安全全球治理具有鲜明的防扩散特点，但这些早期的制度构建为后来在全球范围内提升核安全奠定了基础。实际上，这些机制和条约是防范核恐怖主义的早期壁垒。