伊俄核合作引起美国强烈不满。美多次指责伊以“和平利用核能”为掩护秘密研制核武器，并不断向伊俄施压，以期遏制伊核技术研发。

    ２００３年２月，伊朗时任总统哈塔米宣布伊发现并提炼出能为其核电站提供燃料的铀后，伊核计划遭到美国的“严重质疑”。伊朗核问题开始凸显。

    在国际社会的斡旋下，伊朗２００３年１０月中止了铀浓缩活动，２００４年１１月中止了与铀浓缩有关的一切外围活动。

    但是，坚持和平开发核能权利，是伊朗的基本国策。长期以来，在与国际原子能机构进行合作的同时，伊利用一切机会与西方国家周旋，不断推进核能研发工作。

    ２００４年９月，伊朗宣布开始将３７吨“铀黄饼”（即铀矿料）的一部分用于铀转化试验。２００６年１月，伊正式恢复核燃料研究活动，并宣布已经开发出用“混合澄分”法从铀矿石中提取浓缩铀所需要的“铀黄饼”技术。随后，伊先后宣布成功提炼出纯度为３．５％和４．８％的浓缩铀。

    ２００７年４月９日，伊总统艾哈迈迪－内贾德宣布，该国已能进行“工业规模”的核燃料生产。次日，伊还宣称制订了在纳坦兹核设施内安装５万台用于铀浓缩活动的离心机的相关计划。２００９年年初，仅纳坦兹的核设施就有约７０００台离心机在运转。

    ２００９年４月，伊朗首座核燃料工厂落成，每年可生产４０吨核燃料。９月，伊宣布开始在库姆附近建设第二座半工业化核燃料浓缩设施。１１月，伊还宣布将新建１０处铀浓缩设施，以将核燃料年产量提升至２５０吨至３００吨；同时，伊还需要５０万台离心机来满足发电需要。

    ２０１０年２月１１日，伊宣布生产出第一批纯度为２０％的浓缩铀，并计划在一年内着手新建两座铀浓缩工厂。４月９日，艾哈迈迪－内贾德宣布，伊研制出第三代离心机，并宣称将在纳坦兹核设施安装６万台第三代离心机，每年为６座核电厂提供燃料。

    自２００６年年底以来，联合国安理会先后通过四份对伊制裁决议。面对伊朗新的核计划，美国等西方国家开始积极酝酿对伊进行新一轮制裁。在此背景下，２０１０年５月１７日，伊朗在巴西和土耳其的斡旋下，与巴、土两国达成一项核燃料交换协议，以期化解这场危机。

    ２０１０年６月１６日，伊朗原子能组织主席萨利希说，伊朗将再建一座比德黑兰核反应堆“更加先进、更加强大”的研究用核反应堆，以满足国内对放射性同位素的需求。