Im Jahr 1965 beauftragte das damalige Ministerium für wissenschaftliche Forschung (heute Bundesministerium für Bildung und Forschung) die Gesellschaft für Strahlenforschung (heute: Helmholtz Zentrum München) damit, in der stillgelegten Schachtanlage die Endlagerung radioaktiver Abfälle zu erforschen. Nach Umbauten begann 1967 die Versuchseinlagerung radioaktiver Abfälle.
Von 1968 an wurde die Asse II faktisch nicht mehr als Versuchs-, sondern als Endlager für den Großteil des schwach- und mittelradioaktiven Abfalls der Bundesrepublik genutzt. Bis 1978 gelangten so 125.787 Fässer und Gebinde mit schwach- und mittelradioaktiven Abfällen in das Bergwerk.
Der schwachradioaktive Abfall wurde in insgesamt zwölf Abbaukammern gebracht: Zehn befinden sich in der Südflanke der Asse II in 750 Metern Tiefe, zwei im Zentralteil in 750 und 725 Metern Tiefe. In eine weitere Kammer in 511 Meter Tiefe wurden 1.293 Fässer mit mittelradioaktiven Abfälle gebracht. Die Einlagerung wurde 1978 gestoppt, nachdem 1976 das Atomgesetz geändert worden war.