揚言若被制裁 將有更強烈行動
台灣時間十二日上午十時五十七分，美國地質調查所（ＵＳＧＳ），偵測到北韓東北咸鏡北道吉州郡的豐溪里附近發生芮氏規模五．一的「人工地震」，震央深度一公里。三小時後，北韓中央通信社（ＫＣＮＡ）報導證實「第三次地下核試成功」，更強調這次試爆了一顆「輕量化」原子彈，威力較以往更大、爆炸範圍更集中。
北韓稱核試是為保護國家安全和主權，以對抗美國侵犯發射和平衛星的權利。北韓外交部隨後更警告，強調這次核試只是「初步」作法，若因此遭到更嚴厲制裁，將採取第二、甚至第三波更強烈行動。
據韓聯社報導，北韓在十一日事先通知美國要進行核試，但尚未確定時間，美國隨即在當天晚間通知日本與南韓。南韓國防部估計，北韓這次核試規模達六至七千噸黃色炸藥核爆當量，前兩次核試規模分別是一千噸，以及二到六千噸，都遠遜於二戰投擲在日本原子彈的十三到二十二千噸規模。
北韓分別於二○○六年十月及二○○九年五月在豐溪里進行第一、二次核試，第二次核試更選在退出六方會談之後，挑釁意味明顯，而第三次核試時機顯然也經過精心算計。這次測試發生後不到二十四小時，美國總統歐巴馬就要向國會發表國情咨文，而十六日是已故北韓領導人金正日冥誕，南韓候任總統朴槿惠則將在二十五日就職。
美日韓強烈譴責 中籲北韓對話
平壤此舉引發國際譴責聲浪，美國總統歐巴馬發布聲明說，這次核試是「高度挑釁行為」，威脅美國國家安全及國際和平，他呼籲國際社會以迅速且有效的方式回應北韓，並稱美國將採取必要措施，防衛自身與盟國的安全。
中國外交部長楊潔篪十二日召見北韓大使，對北韓核試「表示強烈不滿和堅決反對」，並籲請北韓「停止採取進一步激化局勢的言行，儘快回到對話協商的正確軌道。」新華社稱這個作法是史無前例。
日本反應最為激烈，首相安倍晉三召開國安會議，強烈譴責北韓核試，又宣布擴大禁止在日本的親北韓團體幹部入境名單，還研擬進行金融制裁。南韓除升高戰備層級外，總統李明博十二日在青瓦台地下戰壕召開國安會議，之後並與朴槿惠會面研商對策。
南韓研判：北韓仍非核武國家
聯合國安理會則於十二日召開緊急會議，商討對策，強烈譴責北韓核試，並將採取進一步制裁。外交界人士預期，北京當局可能會對加強制裁北韓有所保留，因此要通過制裁案，恐怕還需要一段時間。
這次核試關鍵問題之一在於，北韓是否已經改用鈾燃料進行核試。南韓媒體推測，有可能仍是使用鈽作為鈾的替代品。 南韓國家情報院院長元世勳表示，雖然北韓擁有核技術和長程飛彈，但在彈頭小型及輕量化方面，似乎未具備相關條件，因此難將北韓視為核武國家。