Det finns två huvudkategorier av kärnvapen, klassificerade efter deras funktionsmekanism: fissionsbomber, som bryter isär tunga atomkärnor för att frigöra energi, och fusionsbomber, som smälter samman lätta kärnor. Fusionsbomber tenderar att vara mycket kraftfullare. Inom dessa kärnvapenkategorier finns det små varianter: till exempel är en saltad bomb omgiven av ett lager av material som kan bli mycket radioaktivt vid neutronbombardement, och fissionsförstärkta vapen är kärnvapen som trots att de är baserade på fission utnyttjar fusionsreaktioner för att öka sin avkastning. Neutronbomber, eller förstärkta strålningsvapen, är fusionsvapen som är designade för att avge intensiv neutronstrålning, döda allt liv inom ett visst område men göra mindre skada på byggnader.
De flesta varianter av kärnvapen är utformade för att ha ett spektrum av tillgängliga utbyten och storlekar för olika tillämpningar. Det mest skrämmande kärnvapnet genom tiderna var Tsar Bomba, en sovjetisk fusionsbomb med en explosiv kraft på 50 megaton TNT. Först var den designad för att ha en avkastning på 100 megaton, men detta minskades på grund av nedfallsproblem. Däremot kan de minsta kärnvapnen, som några som testades för Operation Plumbbob på testplatsen i Nevada, ha en avkastning så låg som ett ton TNT, eller mindre. Det minsta kärnvapen som massproducerades för utplacering var Davy Crockett-stridsspetsen, designad för infanteriuppskjutning från små omplacerbara mortlar. Den utplacerades i Tyskland för att skydda sig mot en sovjetisk invasion av Europa.
De tidigaste kärnvapenkonstruktionerna var modellerade efter små vapen, som skjuter en halvklot av höganrikat uran in i en annan halvklot av samma, vilket startar en kärnreaktion och den efterföljande frigöringen av värme och ljus i stora mängder. Mer modern design använder implosionsenheter, där sfärer av segmenterat uran omges av kemiska sprängämnen som alla detonerar samtidigt, koncentrerar uranet i mitten och startar en kedjereaktion.
Det är möjligt att tillverka kärnvapen som är ganska små, i storleksordningen en brödrost. Eftersom extremt stora kärnvapen orsakar sidoskador i form av nedfall, och har minskat utbyte eftersom mer av uranet sprängs sönder utan klyvning, gynnar militären kärnvapen i det lilla till medelstora intervallet. Mer fokus på leveranssätt. Fram tills de avvecklades 2005 var den mest skrämmande leveransmetoden för kärnvapen världen över den amerikanska fredsbevararmissilen LGM-118A. Den innehöll 10 återinträdesfordon, var och en med en kärnstridsspets 25 gånger starkare än bomben som brände Hiroshima. En av dessa skulle kunna dela ut förstörelse över ett mycket brett landområde.