Tsar Bomba được đưa tới nơi thử bởi một chiếc máy bay ném bom Tu-95V đã được sửa đổi đặc biệt, do Thiếu tá Andrei Durnovtsev điều khiển, cất cánh từ một sân bay trên bán đảo Kola. Chiếc máy bay ném bom được tháp tùng bởi một máy bay quan sát Tu-16 lấy các mẫu trên không và quay phim vụ thử nghiệm. Cả hai máy bay đều được sơn sơn phản quang trắng đặc biệt để hạn chế hư hại do nhiệt.

Quả bom, cân nặng 27 tấn, quá lớn với chiều dài 8 mét và đường kính 2 mét khiến chiếc Tu-95V chở nó phải bỏ các cửa khoang bom và thùng nhiên liệu trong thân. Quả bom được gắn một dù giảm tốc 800 kilôgam, để chiếc máy bay ném bom và máy bay quan sát có thời gian bay khoảng 50 km trước khi vụ nổ hạt nhân xảy ra, để cơ trưởng cùng phi hành đoàn có thể an toàn trong vụ thử nghiệm.

Tsar Bomba được kích nổ lúc 11:32 ngày 30 tháng 10 năm 1961 trên khu vực thử nghiệm hạt nhân Vịnh Mityushikha (Sukhoy Nos Zone C), phía bắc Vòng Bắc Cực trên hòn đảo Novaya Zemlya tại Biển Arctic. Quả bom được thả từ độ cao 10.5 km; nó được dự định nổ ở độ cao 4 km trên mặt đất (4.2 km trên mực nước biển) bằng các cảm biến khí áp.[1][5][6]

Ước tính ban đầu về đương lượng nổ của Hoa Kỳ là 57 Mt, nhưng từ năm 1991 mọi nguồn tin của Nga đều nói rằng nó có đương lượng nổ 50 Mt. Bởi 50 Mt là 2,1×1017 jun, năng lượng trung bình được tạo ra trong toàn bộ quá trình tổng hợp-phân hạch, kéo dài khoảng 39 phần triệu giây, là khoảng 5,4×1024 watt hay 5,4 yottawatt. Nó tương đương với xấp xỉ 1.4% tổng công suất phát xạ của Mặt Trời.[7] Khrushchev đã cảnh báo trong một bài phát biểu được quay phim trước nghị viện Cộng sản về sự tồn tại của một quả bom 100 Mt (về kỹ thuật việc thiết kế một quả bom có đương lượng nổ này là có thể). Quả cầu lửa chạm tới mặt đất, gần tới cao độ của chiếc máy bay ném bom, và được nhìn thấy và cảm thấy từ 1000 km từ ground zero. Sức nóng của vụ nổ có thể gây bỏng độ ba 100 km (62 dặm) từ ground zero. Đám mây hình nấm sau đó cao khoảng 64 km (gần cao hơn sáu lần Núi Everest) và rộng 40 km. Vụ nổ có thể được quan sát và cảm nhận thấy ở Phần Lan, làm vỡ kính cửa sổ tại Phần Lan và Thuỵ Điển. Hội tụ khí quyển gây ra thiệt hại ở khoảng cách lên tới 1000 km. Sóng địa chấn do vụ nổ gây ra có thể đo được thậm chí ở lần chạy quanh Trái đất thứ ba.[8] Mức sóng địa chấn của nó khoảng 5 tới 5.25.[9] Lượng năng lượng khoảng 7.1 trên thang Richter[cần dẫn nguồn], nhưng bởi quả bom được cho nổ trên không chứ không phải ngầm dưới đất, đa số năng lượng không được chuyển thành sóng địa chấn.

Tsar Bomba là thiết bị vật lý mạnh nhất từng được sử dụng trong suốt lịch sử loài người. Kích thước và trọng lượng của nó khiến nó không thể được vận chuyển thành công trong trường hợp một cuộc chiến tranh thực tế.[10] Trái lại, vũ khí lớn nhất từng được chế tạo tại Hoa Kỳ, quả bom B41 hiện đã bị giải giáp vào tháng 10 năm 2011 (sau khi hiệp định cắt giảm vũ khí hạt nhân giữa Nga và Mĩ được ký kết), có đương lượng nổ được dự đoán ở mức 25 Mt, và thiết bị hạt nhân lớn nhất từng được Hoa Kỳ thử nghiệm (Castle Bravo vào năm 1951) có đương lượng nổ 15 Mt (vì một phản ứng nhanh; đương lượng nổ thiết kế xấp xỉ 5 Mt).