Ada dua kategori utama senjata nuklir, diklasifikasikan berdasarkan mekanisme operasinya: bom fisi, yang memecah inti atom berat untuk melepaskan energi, dan bom fusi, yang menggabungkan inti ringan. Bom fusi cenderung jauh lebih kuat. Dalam kategori senjata nuklir ini, ada sedikit varian: misalnya, bom asin dikelilingi oleh lapisan bahan yang dapat menjadi sangat radioaktif dengan pemboman neutron, dan senjata yang didorong oleh fisi adalah senjata nuklir yang, meskipun didasarkan pada fisi, dieksploitasi. reaksi fusi untuk meningkatkan hasil mereka. Bom neutron, atau senjata radiasi yang disempurnakan, adalah senjata fusi yang dirancang untuk memancarkan radiasi neutron yang intens, membunuh semua kehidupan di area tertentu tetapi tidak merusak bangunan.
Sebagian besar varian senjata nuklir dirancang untuk tujuan memiliki spektrum hasil dan ukuran yang tersedia untuk aplikasi yang berbeda. Senjata nuklir paling menakutkan sepanjang masa adalah Tsar Bomba, bom fusi Soviet dengan daya ledak 50 megaton TNT. Pada awalnya itu dirancang untuk menghasilkan 100 megaton, tetapi ini diperkecil karena kekhawatiran dampak. Sebaliknya, senjata nuklir terkecil, seperti beberapa yang diuji untuk Operasi Plumbbob di Situs Uji Nevada, mungkin hanya menghasilkan satu ton TNT, atau kurang. Senjata nuklir terkecil yang diproduksi secara massal untuk ditempatkan adalah hulu ledak Davy Crockett, yang dirancang untuk peluncuran infanteri dari mortir kecil yang dapat digunakan kembali. Itu dikerahkan di Jerman untuk menjaga terhadap invasi Soviet ke Eropa.
Desain senjata nuklir paling awal dimodelkan setelah senjata kecil, yang menembakkan belahan uranium yang sangat diperkaya ke belahan lain yang sama, memulai reaksi nuklir dan pelepasan panas dan cahaya berikutnya dalam jumlah besar. Desain yang lebih modern menggunakan rakitan ledakan, di mana bidang uranium tersegmentasi dikelilingi oleh bahan peledak kimia yang semuanya meledak secara bersamaan, memusatkan uranium di tengah dan memulai reaksi berantai.
Dimungkinkan untuk membuat senjata nuklir yang cukup kecil, seukuran pemanggang roti. Karena senjata nuklir yang sangat besar menyebabkan kerusakan tambahan dalam bentuk kejatuhan, dan telah mengurangi hasil karena lebih banyak uranium yang diledakkan tanpa fisi, militer lebih menyukai senjata nuklir dalam kisaran kecil hingga menengah. Lebih fokus pada metode penyampaiannya. Sampai mereka dinonaktifkan pada tahun 2005, metode pengiriman senjata nuklir yang paling menakutkan di seluruh dunia adalah rudal Penjaga Perdamaian LGM-118A Amerika. Isinya 10 kendaraan masuk kembali, masing-masing dengan hulu ledak nuklir 25 kali lebih kuat dari bom yang membakar Hiroshima. Salah satunya bisa membagikan kehancuran di petak tanah yang sangat luas.