มีสองประเภทหลักของอาวุธนิวเคลียร์โดยจำแนกตามกลไกการทำงานของพวกเขาคือ: ฟิชชันระเบิดซึ่งแตกสลายนิวเคลียสของอะตอมหนักเพื่อปลดปล่อยพลังงานและระเบิดฟิวชั่นซึ่งหลอมรวมนิวเคลียสของแสง ระเบิดฟิวชั่นมีแนวโน้มที่จะมีพลังมากขึ้น ในหมวดอาวุธนิวเคลียร์เหล่านี้มีหลากหลายรูปแบบเช่นระเบิดเค็มล้อมรอบด้วยชั้นของวัตถุที่สามารถกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีสูงด้วยการทิ้งระเบิดนิวตรอนและอาวุธที่ได้รับฟิชชันเป็นอาวุธนิวเคลียร์แม้ว่าจะมีพื้นฐานมาจากฟิชชันก็ตาม ปฏิกิริยาฟิวชั่นเพื่อเพิ่มผลผลิตของพวกเขา ระเบิดนิวตรอนหรืออาวุธรังสีขั้นสูงเป็นอาวุธฟิวชั่นที่ออกแบบมาเพื่อปล่อยรังสีนิวตรอนที่รุนแรงฆ่าทุกชีวิตภายในพื้นที่หนึ่ง แต่สร้างความเสียหายน้อยกว่าอาคาร
อาวุธนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์ในการให้สเปกตรัมของผลตอบแทนและขนาดที่มีอยู่สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน อาวุธนิวเคลียร์ที่น่ากลัวที่สุดตลอดกาลคือซาร์บอมบาซึ่งเป็นระเบิดนิวเคลียร์ฟิวชั่นของสหภาพโซเวียตที่มีพลังระเบิด 50 เมกาตันของทีเอ็นที ตอนแรกมันถูกออกแบบมาเพื่อให้ได้ผล 100 เมกะท แต่นี่ลดขนาดลงเนื่องจากความกังวลที่เกิดขึ้น ในทางตรงกันข้ามอาวุธนิวเคลียร์ที่มีขนาดเล็กที่สุดอย่างเช่นบางส่วนที่ได้รับการทดสอบสำหรับ Operation Plumbbob ในพื้นที่ทดสอบเนวาดาอาจมีอัตราผลตอบแทนต่ำเพียงทีเอ็นทีเพียงเล็กน้อยหรือน้อยกว่า อาวุธนิวเคลียร์ขนาดเล็กที่สุดที่ผลิตเพื่อนำไปใช้งานคือ Davy Crockett หัวรบที่ออกแบบมาเพื่อการยิงราบจากครกที่สามารถสับเปลี่ยนได้ มันถูกนำไปใช้ในประเทศเยอรมนีเพื่อป้องกันการรุกรานของสหภาพยุโรปในยุโรป
การออกแบบอาวุธนิวเคลียร์ที่เก่าแก่ที่สุดถูกจำลองตามปืนขนาดเล็กซึ่งยิงซีกโลกของยูเรเนียมที่ได้รับการเสริมสมรรถนะสูงเข้าไปในซีกโลกอีกอันหนึ่งเหมือนกันเริ่มต้นปฏิกิริยานิวเคลียร์และปล่อยความร้อนและแสงในปริมาณมาก การออกแบบที่ทันสมัยกว่านี้ใช้ชุดการระเบิดที่ซึ่งยูเรเนียมทรงกลมแบ่งเป็นชิ้นส่วนล้อมรอบด้วยวัตถุระเบิดทางเคมีที่ทำให้เกิดการระเบิดพร้อมกันโดยมุ่งไปที่ยูเรเนียมที่อยู่ตรงกลางและเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่
เป็นไปได้ที่จะสร้างอาวุธนิวเคลียร์ที่มีขนาดค่อนข้างเล็กตามขนาดของเครื่องปิ้งขนมปัง เนื่องจากอาวุธนิวเคลียร์ที่มีขนาดใหญ่มากทำให้เกิดความเสียหายต่อหลักประกันในรูปแบบของการพลัดตกและทำให้อัตราผลตอบแทนลดลงเนื่องจากยูเรเนียมส่วนใหญ่ถูกพัดพาออกไปโดยไม่แยกฟิชชันทหารจึงชอบอาวุธนิวเคลียร์ในช่วงขนาดเล็กถึงปานกลาง เน้นมากขึ้นในการวางวิธีการจัดส่ง จนกว่าพวกเขาจะถูกปลดประจำการในปี 2005 วิธีการส่งอาวุธนิวเคลียร์ที่น่ากลัวที่สุดทั่วโลกคือขีปนาวุธ Peacekeeper ของอเมริกา LGM-118A มันบรรจุยานพาหนะ 10 คันย้อนกลับแต่ละคันมีหัวรบนิวเคลียร์ซึ่งมีพลังมากกว่าระเบิด 25 เท่าที่เผาฮิโรชิมา หนึ่งในนั้นสามารถทำลายล้างได้ในพื้นที่กว้างใหญ่ไพศาล
