Ba nước này - Ấn Độ, Pakistan, Israel - từ chối tham gia Hiệp ước. Ấn Độ và Pakistan đã được xác nhận là cường quốc hạt nhân, trong khi nhiều người tin rằng Israel đã có vũ khí hạt nhân, dù chưa có xác nhận nước này đã tiến hành các vụ thử hạt nhân (xem Danh sách các quốc gia có vũ khí hạt nhân). Ba quốc gia này lập luận rằng Hiệp ước đã dựng lên một câu lạc bộ các nước có vũ khí hạt nhân, để phân biệt với một nhóm đông hơn, gồm nhiều các quốc gia không có vũ khí hạt nhân, nhằm mục đích hạn chế quyền sở hữu hợp pháp vũ khí hạt nhân dành riêng cho các nước đã có các cuộc thử nghiệm trước năm 1967, nhưng Hiệp ước chưa bao giờ giải thích trên nền tảng đạo đức nào để chứng minh sự phân biệt ấy là đúng đắn.

Ấn Độ và Pakistan đã công khai tuyên bố đã sở hữu vũ khí hạt nhân cũng như đã cho kích nổ chúng trong các cuộc thử nghiệm, Ấn Độ tiến hành thử nghiệm lần đầu năm 1974 và Pakistan năm 1998. Ước tính Ấn Độ tồn trữ nguyên liệu đủ để chế tạo 100–150 đầu đạn, còn Pakistan đủ cho 60–100 đầu đạn. Israel vẫn đang phát triển vũ khí hạt nhân tại căn cứ Dimona trong sa mạc Negev kể từ năm 1958. Người ta tin rằng nước này đang tồn trữ 100–200 đầu đạn hạt nhân. Chính phủ Israel từ chối xác nhận hoặc bác bỏ nguồn tin này, mặc dù điều này được xem là một sự bí mật mà ai cũng biết sau khi được kỹ thuật gia hạt nhân của Israel, Mordechai Vanunu, tiết lộ trên tờ Sunday Times của Anh năm 1986.