Bắc Triều Tiên đã phê chuẩn Hiệp ước, nhưng lại rút khỏi hiệp ước ngày 10 tháng 1 năm 2003, sau những cáo buộc của Hoa Kỳ cho rằng Bắc Triều Tiên đã khởi động chương trình làm giàu urani; khi ấy Hoa Kỳ đình chỉ việc vận chuyển dầu nhiên liệu đến Bắc Triều Tiên trong khuôn khổ Khung Thoả thuận năm 1994 nhằm giải quyết các vấn đề vũ khí plutoni. Ngày 10 tháng 2 năm 2005, Bắc Triều Tiên công bố sở hữu vũ khí hạt nhân và tuyên bố rút khỏi những cuộc đàm phán sáu bên do Trung Quốc đứng ra tổ chức nhằm tìm kiếm một giải pháp ngoại giao cho vấn đề. "Chúng tôi đã rút khỏi Hiệp ước Cấm Phổ biến Vũ khí Hạt nhân và đã chế tạo vũ khí hạt nhân cho mục đích phòng vệ để đối phó với chính sách trắng trợn của chính phủ Bush nhằm cô lập và bóp nghẹt nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Triều Tiên", lời của một tuyên bố của Bộ Ngoại giao Bắc Triều Tiên. Những cuộc đàm phán sáu bên được tái tục vào tháng 7 năm 2005, nhưng lại ngưng vào ngày 7 tháng 8 mà không có tiến bộ nào. Các bên đã lại gặp nhau ngày 29 tháng 8.

Ngày 19 tháng 9 năm 2005, Bắc Triều Tiên tuyên bố chấp nhận thoả ước sơ bộ, theo đó nước này sẽ huỷ bỏ các loại vũ khí hạt nhân hiện có cũng như các cơ sở sản xuất, tái gia nhập hiệp ước và tái chấp nhận đoàn thanh tra của IAEA. Vấn đề cung cấp lò phản ứng nước nhẹ để thay thế chương trình nhà máy điện hạt nhân của Bắc Triều Tiên, theo Khung Thoả thuận năm 1994, sẽ được giải quyết sau. Nhưng ngày hôm sau Bắc Triều Tiên lặp lại quan điểm cũ của mình rằng chỉ khi nào nước này được cung cấp lò phản ứng nước nhẹ thì mới huỷ bỏ kho hạt nhân và gia nhập hiệp ước.