Meskipun tidak ada definisi resmi dari generasi yang berbeda dari senjata nuklir, sejarawan dan analis kontrol senjata sering mengenali empat kategori umum, yang masing-masing mewakili kemajuan teknologi substansial selama yang terakhir. Negara-negara yang mengembangkan senjata nuklir cenderung mengembangkan setiap tahap secara bergantian dan jarang melewati tahap, kecuali kadang-kadang tahap pertama. Tahapan tersebut adalah 1) bom fisi tipe senjata, 2) bom fisi tipe ledakan, 3) bom fusi, dan 4) MIRV (multiple independent targetable reentry vehicle) mengirimkan senjata nuklir. Perhatikan bagaimana tidak ada prinsip pengorganisasian terpadu untuk skema ini; pembedaan antara yang pertama dan kedua didasarkan pada metode peledakan, yang kedua dan ketiga berdasarkan jenis bom, dan yang ketiga dan keempat berdasarkan sistem pengiriman yang digunakan.
Senjata nuklir generasi pertama awalnya dikembangkan di Amerika Serikat pada tahun 1939-1945 di bawah naungan Proyek Manhattan yang sangat rahasia. Konstruksi bom jenis senjata berarti prinsip operasinya adalah satu bongkahan uranium yang diperkaya yang diluncurkan ke tempat lain seperti meriam. Ketika dua unit uranium bergabung, mereka mencapai massa kritis dan memulai reaksi berantai nuklir. Hasilnya adalah ledakan nuklir, seperti yang menewaskan 140,000 orang selama pemboman atom Hiroshima selama Perang Dunia II.
Senjata nuklir tipe ledakan meningkatkan efisiensi senjata tipe senjata dengan mengelilingi uranium dengan bola lensa peledak, yang dirancang untuk mengarahkan energinya ke dalam dan memadatkan uranium. Hasilnya adalah lebih banyak uranium yang dikonsumsi dalam reaksi berantai daripada dihancurkan tanpa fisi, menghasilkan hasil yang lebih tinggi. Senjata nuklir tipe ledakan dikembangkan oleh Amerika Serikat hanya sedikit setelah senjata nuklir tipe senjata pertama. Bom nuklir yang dijatuhkan di Nagasaki hanya tiga hari setelah pemboman Hiroshima didasarkan pada desain tipe ledakan, yang memungkinkannya menjadi lebih kompak dan lebih ringan.
Meskipun peningkatan bertahap pada senjata fisi, seperti memanfaatkan reaksi fusi kecil untuk meningkatkan hasil, langkah besar berikutnya dalam penghancuran senjata nuklir dicapai dengan bom fusi, atau bom hidrogen. Alih-alih membelah (memecah) inti uranium atau plutonium, bom fusi menyatukan elemen-elemen ringan (hidrogen) dan melepaskan energi berlebih dalam ledakan. Ini adalah proses yang sama yang menggerakkan Matahari. Sebagian besar senjata nuklir modern adalah jenis fusi, karena hasil yang dicapai jauh lebih tinggi daripada senjata fisi terbaik.
Setelah banyak bom fusi dibuat, tidak ada lagi langkah yang dapat diambil untuk meningkatkan hasil senjata ini, jadi fokusnya beralih ke pengembangan metode pengiriman yang tidak dapat dilawan oleh musuh potensial. Hal ini menyebabkan pengembangan pengiriman MIRV, di mana rudal balistik berujung nuklir diluncurkan dari atmosfer, di mana ia melepaskan 6-8 kendaraan masuk kembali yang dapat ditargetkan secara independen untuk menghujani target yang berdekatan. Karena kendaraan masuk kembali berujung nuklir ini melaju dengan kecepatan ekstrem, sekitar Mach 23, memblokir atau mengalihkannya pada dasarnya tidak mungkin dilakukan dengan teknologi saat ini.