Учения проходили под руководством заместителя министра обороны СССР маршала Георгия Жукова. Их официальная тема звучала как «Прорыв подготовленной тактической обороны противника с применением атомного оружия».
Военные стремились выяснить, как вести наступление после применения ядерного оружия, как взрыв воздействует на оборонительные сооружения, технику и живую силу. На полигоне была создана условная система обороны. В учениях участвовали около 45 тысяч военнослужащих, около 600 танков и самоходных артиллерийских установок, 600 бронетранспортёров, 500 орудий и миномётов и 320 самолётов.
Утром с самолёта Ту-4 была сброшена атомная бомба РДС-2 мощностью 40 килотонн. Она взорвалась на высоте около 350 метров над землёй. После взрыва была проведена артиллерийская и авиационная подготовка, а затем войска начали наступление через район, подвергшийся воздействию взрыва.
Для своего времени это был беспрецедентный военный эксперимент. Однако он имел и другую сторону. Военнослужащие получили различные дозы радиационного облучения, а радиоактивное загрязнение затронуло прилегающие территории. Население ближайшей зоны перед учениями эвакуировали, для жителей более удалённых районов предусматривались укрытие и другие меры защиты.
Долгое время сведения о происходившем оставались засекреченными. Участники давали подписку о неразглашении, а широкое обсуждение последствий началось только после рассекречивания материалов в 1990-е годы.
Тоцкие учения показали, что советская армия стремилась приспособиться к новой реальности ядерной войны. Но одновременно они стали напоминанием о высокой цене подобных экспериментов: радиационные последствия невозможно полностью оценить только в момент проведения учений.

Видео: Тактические учения на Тоцком полигоне. 1954 год.