Viện khoa học- nghiên cứu thử nghiệm NII-1011 Minsredmash (nay là Viện khoa học-nghiên cứu vật lý kỹ thuật toàn Nga) có trụ sở tại thành phố Snhezinsk vùng Chelyabinsk) là đơn vị chịu trách nhiệm chính trong thiết kế AH602. Viện này được thành lập ngày 5 tháng 5 năm 1955 để thực hiện các dự án vũ khí hạt nhân. Sau này, cũng chính Viện đã thiết kế chế tạo 70% tất cả các bom hạt nhân, tên lửa hạt nhân và ngư lôi hạt nhân cho quân đội Liên Xô.

Tsar Bomba là một quả bom khinh khí ba giai đoạn với một đương lượng nổ 57 megaton (Mt).[3] Nó tương đương 10 lần lượng thuốc nổ được sử dụng trong Chiến tranh thế giới thứ hai, gồm cả Little Boy và Fat Man, những quả bom đã tàn phá Hiroshima và Nagasaki.[4] Một quả bom H ba giai đoạn sử dụng một quả bom hạt nhân ban đầu để tạo ra một phản ứng nhiệt hạch tiếp theo, như trong hầu hết các quả bom H, và sau đó sử dụng năng lượng từ vụ nổ này để tạo ra một giai đoạn nhiệt hạch lớn hơn nữa. Tuy nhiên, có bằng chứng rằng Tsar Bomba có một số giai đoạn thứ ba chứ không phải chỉ là một giai đoạn rất lớn duy nhất.[5]

Thiết kế ba giai đoạn ban đầu có khả năng tạo ra vụ nổ xấp xỉ 100 Mt, nhưng sẽ tạo ra quá nhiều bụi hạt nhân. Để giới hạn bụi hạt nhân, giai đoạn ba, và có thể cả giai đoạn hai, có một tamper chì thay cho một tamper uranium-238 (nó khuếch đại cực mạnh phản ứng bằng cách phân hạt các nguyên tử uranium với các neutron nhanh từ vụ nổ nhiệt hạch). Điều này giúp làm hạn chế sự phân hạt nhanh bằng các neutron ở giai đoạn tổng hợp, vì thế xấp xỉ 97% tổng năng lượng có được từ sự tổng hợp hạt nhân (như vậy, nó là một trong những quả bom hạt nhân "sạch nhất" từng được chế tạo, tạo ra một khối lượng bụi hạt nhân khá nhỏ so với đương lượng nổ). Có một sự khuyến khích rất lớn với kiểu thiết kế này bởi hầu hết bụi hạt nhân của vụ thử nghiệm bom sẽ rơi trên vùng lãnh thổ có người ở của Liên xô.[5][6]

Các thành phần được thiết kế bởi một đội các nhà vật lý dưới sự lãnh đạo của viện sĩ Julii Borisovich Khariton và gồm cả Andrei Sakharov, Victor Adamsky, Yuri Babayev, Yuri Smirnov, và Yuri Trutnev. Một thời gian ngắn sau khi Tsar Bomba được cho nổ, Sakharov bắt đầu phát biểu chống lại các loại vũ khí hạt nhân, cuối cùng biến ông trở thành một người bất đồng.[1][6]