Vũ khí hạt nhân đơn giản là lấy năng lượng từ quá trình phân hạch (còn gọi là phân rã hạt nhân). 1 vật liệu có khả năng phân rã được lắp ráp vào 1 khối lượng tới hạn, trong đó khởi phát 1 phản ứng dây chuyền và phản ứng đó gia tăng theo tốc độ của hàm mũ, giải thoát 1 nguồn năng lượng khổng lồ. Quá trình này được thực hiện bằng cách bắn 1 mẫu vật liệu chưa tới hạn này vào 1 mẫu vật liệu chưa tới hạn khác để tạo ra 1 trạng thái gọi là siêu tới hạn. Khó khăn chủ yếu trong việc thiết kế tất cả các vũ khí hạt nhân là đảm bảo một phần chủ yếu các nhiên liệu được dùng trước khi vũ khí tự phá hủy bản thân nó. Thông thường vũ khí như vậy được gọi là bom nguyên tử, còn gọi là bom A.[4]

Các loại vũ khí cao cấp hơn thì lấy năng lượng nhiều hơn từ quá trình nhiệt hạch (còn gọi là tổng hợp hạt nhân). Trong loại vũ khí này, bức xạ nhiệt từ vụ nổ phân rã hạt nhân được dùng để nung nóng và nén đầu mang triti, deuteri, hoặc liti, từ đó xảy ra phản ứng nhiệt hạch với năng lượng được giải thoát lớn hơn rất nhiều. Thông thường vũ khí như vậy được gọi là bom khinh khí, còn gọi là bom hydro, bom H hay bom nhiệt hạch. Nó có thể giải thoát 1 năng lượng lớn hơn hàng ngàn lần so với bom nguyên tử.

Người ta còn tạo ra các vũ khí tinh vi hơn cho một số mục đích đặc biệt. Vụ nổ hạt nhân được thực hiện nhờ 1 luồng bức xạ neutron xung quanh vũ khí hạt nhân, sự có mặt của các vật liệu phù hợp (như coban hoặc vàng) có thể gia tăng độ ô nhiễm phóng xạ. Người ta có thể thiết kế vũ khí hạt nhân có thể cho phép neutron thoát ra nhiều nhất; những quả bom như vậy được gọi là bom neutron. Về lý thuyết, các vũ khí phản vật chất, trong đó sử dụng các phản ứng giữa vật chất và phản vật chất, không phải là vũ khí hạt nhân nhưng nó có thể là 1 vũ khí với sức công phá cao hơn cả vũ khí hạt nhân.