Mặc dù cả Iran và Ả-rập Xê-út đã ký kết Hiệp ước không phổ biến vũ khí hạt nhân vào năm 1970 và 1988, một cuộc chạy đua vũ trang hạt nhân tiềm ẩn đã là một mối quan tâm trong nhiều năm. Cả hai chính phủ đều tuyên bố rằng các chương trình của họ là vì mục đích hòa bình, nhưng các chính phủ và tổ chức nước ngoài đã cáo buộc cả hai nước đang thực hiện những biện pháp để có được khả năng chế tạo vũ khí hạt nhân.

Chương trình hạt nhân đang được tiến hành của Iran bắt đầu vào những năm 1950 dưới thời Shah hợp tác với Hoa Kỳ như là một phần của chương trình Hạt nhân cho hòa bình. Sự hợp tác này tiếp tục cho đến cuộc Cách mạng Iran vào năm 1979.[119] Các biện pháp trừng phạt đã được áp dụng kể từ đó, và được mở rộng vào năm 2006 với việc thông qua Nghị quyết 1737 và Nghị quyết 1696 của Hội đồng Bảo an Liên Hiệp Quốcđể đáp lại chương trình làm giàu uranium của Iran.

Ả-rập Xê-út đã cân nhắc một số lựa chọn để phản ứng chương trình của Iran: Đạt được khả năng chế tạo vũ khí hạt nhân để ngăn chặn, lập một liên minh với một cường quốc hạt nhân hiện có hoặc theo đuổi thỏa thuận khu vực cấm vũ khí hạt nhân.[120] Người ta tin rằng Saudi Arabia đã là nhà tài trợ tài chính chính cho chương trình hạt nhân của Pakistan từ năm 1974, một dự án bắt đầu dưới thời cựu Thủ tướng Zulfikar Ali Bhutto. Các quan chức cấp cao của Mỹ, vào năm 2003, báo cáo rằng, Ả-rập Xê-út đã đưa ra "quyết định chiến lược" để mua các vũ khí nguyên tử "off-the-shelf" của Pakistan.[121] Năm 2003, tờ The Washington Times đưa tin Pakistan và Ả-rập Xê-út đã ký một thoả thuận bí mật về hợp tác hạt nhân nhằm cung cấp cho Saudi công nghệ vũ khí hạt nhân để đổi lấy dầu giá rẻ cho Pakistan.[122]

Kế hoạch Hành động về Hợp tác Toàn diện năm 2015 giữa Iran và các quốc gia P5+1 (nhóm năm thành viên thường trực của Hội đồng Bảo an Liên Hiệp Quốc, cụ thể là Trung Quốc, Pháp, Nga, Anh Quốc, và Hoa Kỳ, cộng với Đức) đã gây nhiều lo ngại cho Ả-rập Xê-út, coi đó như một bước hướng tới việc giảm đi sự cô lập quốc tế của Iran và có thể làm trầm trọng thêm cuộc xung đột ủy nhiệm.[123]