Ydintalvi, eräiden tiedemiesten mukaan ydinsodan satojen ydinräjähdysten todennäköisesti aiheuttama ympäristötuho. Ydinräjähdysten aiheuttaman valon, lämmön, räjähdyksen ja säteilyn vahingolliset vaikutukset olivat tiedemiesten tiedossa jo pitkään, mutta tällaisten räjähdysten epäsuorat vaikutukset ympäristöön jäivät vuosikymmeniä pitkälti huomiotta. 1970-luvulla useissa tutkimuksissa kuitenkin esitettiin, että stratosfäärin otsonikerros, joka suojaa eläviä olentoja suurelta osin auringon haitalliselta ultraviolettisäteilyltä, saattaisi heikentyä ydinräjähdysten tuottamien suurten typenoksidimäärien vuoksi. Muissa tutkimuksissa arveltiin, että ydinräjähdysten ilmakehään potkaisemat suuret pölymäärät saattaisivat estää auringonvaloa pääsemästä Maan pinnalle, mikä johtaisi ilman tilapäiseen jäähtymiseen. Tutkijat alkoivat sitten ottaa huomioon savun, jota ydintulipallojen sytyttämät laajat metsät tuottavat, ja vuonna 1983 kunnianhimoisessa tutkimuksessa, joka tunnetaan nimellä TTAPS-tutkimus (tekijöidensä R.P. Turcon, O.B. Toonin, T.P. Ackermanin, J.B. Pollackin ja Carl Saganin sukunimien alkukirjaimista), otettiin huomioon ratkaisevan tärkeä tekijä, joka oli ydinvoimalaitoksen runtelemien suurkaupunkien polttamien polttoaineiden polttamisesta syntyvä savu ja noki. (Tällaisista materiaaleista peräisin oleva savu imee auringonvaloa paljon tehokkaammin kuin palavan puun savu). TTAPS-tutkimus loi termin ”ydintalvi”, ja sen pahaenteiset hypoteesit ydinsodan ympäristövaikutuksista joutuivat intensiivisen tutkimuksen kohteeksi sekä amerikkalaisissa että neuvostoliittolaisissa tiedeyhteisöissä.
Ydintalven perimmäisenä syynä tutkijoiden hypoteesin mukaan olisivat räjähtävien ydinkärkien aiheuttamat lukuisat ja valtavat tulipallot. Nämä tulipallot sytyttäisivät valtavia hallitsemattomia tulipaloja (tulimyrskyjä) kaikkien niiden vaikutuspiirissä olevien kaupunkien ja metsien yllä. Näistä tulipaloista syntyisi suuria savu-, noki- ja pölypilviä, jotka kohoaisivat oman kuumenemisensa vaikutuksesta korkeuksiin, joissa ne saattoivat ajelehtia viikkoja, ennen kuin ne putosivat takaisin tai huuhtoutuivat ilmakehästä maan pinnalle. Voimakkaat länsi-itäsuuntaiset tuulet kuljettavat useita satoja miljoonia tonneja tätä savua ja nokea, kunnes ne muodostavat yhtenäisen hiukkasvyöhykkeen, joka kiertää pohjoisen pallonpuoliskon 30°:n ja 60°:n väliseltä leveyspiiriltä. Nämä paksut mustat pilvet voisivat peittää auringon valon murto-osaa lukuun ottamatta jopa useiden viikkojen ajaksi. Tämän seurauksena pintalämpötilat laskisivat muutamaksi viikoksi, ehkä jopa 11°-22° C (20°-40° F). Puolipimeys, tappavat pakkaset ja pakkaslämpötilat yhdistettynä ydinlaskeumasta aiheutuviin suuriin säteilyannoksiin keskeyttäisivät kasvien fotosynteesin ja voisivat siten tuhota suuren osan maapallon kasvillisuudesta ja eläimistöstä. Äärimmäinen kylmyys, korkeat säteilytasot ja laajalle levinnyt teollisuus-, terveydenhuolto- ja liikenneinfrastruktuurien sekä elintarvikevarastojen ja sadon tuhoaminen aiheuttaisivat valtavan määrän nälän, altistumisen ja tautien aiheuttamia kuolemantapauksia. Ydinsota voisi näin ollen vähentää maapallon ihmispopulaation murto-osaan aiemmasta määrästä.
Lukuiset tiedemiehet ovat kiistäneet alkuperäisten laskelmien tulokset, ja vaikka tällainen ydinsota olisi epäilemättä tuhoisa, maapallon elämälle aiheutuvien vahinkojen aste on edelleen kiistanalainen.