北韓官方宣稱，這次試驗的是小型輕量的核彈，「是一次高水平且完美的核彈試爆」。南韓軍方則認為，北韓前2次核試爆使用的是鈽彈，這次試驗可能使用是鈾彈。同年3月11日，北韓片面宣布《朝鮮停戰協定》無效，進入準戰爭狀態。
美國隨後載運飛彈防禦設備及可搭載核彈的B-2「幽靈」轟炸機（B-2 Spirit）到南韓，時任美國國務卿凱瑞（John Kerry）更警告，金正恩「必須搞清楚，我想應該知道，一旦爆發戰事的後果」，意即北韓會被美國打趴。
儘管聯合國安理會3度通過制裁案，但事實上對北韓的效果有限，因為能夠祭出的制裁方案幾乎已列入前2次制裁案中，而歐巴馬也沒有要採取進一步措施，像是禁止商船載貨至北韓。另外，中國仍持續向北韓供應石油和其他援助，也讓北韓有喘息空間。
第4次核試爆
2016年1月6日，北韓進行第4次核試爆，也是首度進行「氫彈」試爆，金正恩聲稱這次小型氫彈試爆成功，創下「驚人成就」，不過南韓專家分析，一般氫彈威力介於1500萬噸至5000萬噸TNT之間，小型氫彈的威力也有50000至60000噸，但北韓此次試爆威力頂多10000噸，因此是氫彈的可能性不很低。
同年3月2日，聯合國安理會4度通過制裁案，中國及俄羅斯同樣投下贊成票，這次的制裁內容包括所有進出北韓的貨物一律視為可疑物品，各國必須嚴加攔查；關閉所有北韓境外的金融機構，也禁止任何外國銀行在北韓境內運作；禁止向北韓進出口煤炭、鐵礦砂和稀土等自然資源。
美國國會則是通過法案，授權聯邦政府對於資助北韓的特定人士進行個別制裁，而美國也與太平洋盟邦商討部署「薩德」（THAAD）飛彈防禦系統，北韓曾提出交換條件，即美國不在南韓部署「薩德」，北韓就會停止進行研發核武，但遭到時任美國總統歐巴馬斷然拒絕。
第5次核試爆
2016年9月9日，北韓5度進行核試爆，這次威力是歷來試爆中最大的1次，威力約是15000至20000噸TNT，並造成規模5.3的地震，這次的爆炸威力已相當於美國在日本投下原子彈的威力，更是10年前首度核試爆的10倍。北韓官媒《朝中社》宣稱，此次核試爆確認了能夠以戰略彈道飛彈搭載、已實現標準化和規格化的核彈頭的構造、性能和威力。
美國這次的反應與先前大同小異，同樣在聯合國安理會提出制裁案，中國也強烈譴責北韓恣意妄為、不斷進行核試爆的行為，同時答應禁止向北韓進口煤，以對北韓的經濟造成影響，而時任美國總統歐巴馬則稱：「美國現在不會，未來也絕不會承認北韓是核武國家......我們會加緊作業，確認我們鎖死任何漏洞。」
