แม้ว่าจะไม่มีคำจำกัดความที่เป็นทางการของอาวุธนิวเคลียร์รุ่นต่าง ๆ นักประวัติศาสตร์และนักวิเคราะห์การควบคุมอาวุธมักจะจำหมวดหมู่ทั่วไปได้สี่ประเภทซึ่งแต่ละอันแสดงถึงความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญในช่วงที่ผ่านมา ประเทศที่พัฒนาอาวุธนิวเคลียร์มีแนวโน้มที่จะพัฒนาในแต่ละขั้นตอนและแทบข้ามขั้นตอนยกเว้นบางครั้งครั้งแรก ขั้นตอนเหล่านี้คือ 1) ระเบิดฟิชชันชนิดปืน, 2) ระเบิดฟิชชันชนิดระเบิด, 3) ระเบิดฟิวชั่น, และ 4) MIRV (ยานพาหนะย้อนกลับที่กำหนดเป้าหมายอิสระหลายคัน) ส่งอาวุธนิวเคลียร์ สังเกตว่าไม่มีหลักการจัดระเบียบแบบรวมสำหรับรูปแบบนี้ ความแตกต่างระหว่างตัวแรกและตัวที่สองนั้นขึ้นอยู่กับวิธีการระเบิดที่สองและสามตามประเภทของระเบิดและที่สามและสี่โดยระบบการจัดส่งที่ใช้
อาวุธนิวเคลียร์รุ่นแรกได้รับการพัฒนาในสหรัฐอเมริกาในปี 2482-2488 ภายใต้การอุปถัมภ์ของโครงการแมนฮัตตันลับสุดยอด การสร้างระเบิดประเภทปืนหมายถึงหลักการทำงานของมันคือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะหนึ่งก้อนที่ถูกปล่อยออกมาเหมือนปืนใหญ่ เมื่อยูเรเนียมสองหน่วยรวมกันพวกมันจะไปถึงมวลวิกฤตและเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ผลที่ได้คือการระเบิดนิวเคลียร์เช่นเดียวกับที่ฆ่าคน 140,000 คนในระหว่างการทิ้งระเบิดปรมาณูของฮิโรชิมาในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง
อาวุธนิวเคลียร์ชนิด Implosion ปรับปรุงประสิทธิภาพของอาวุธปืนชนิดโดยรอบยูเรเนียมด้วยเลนส์ทรงกลมระเบิดออกแบบมาเพื่อนำพลังงานของพวกเขาเข้าด้านในและกระชับยูเรเนียม ผลที่ได้คือมีการใช้ยูเรเนียมในปฏิกิริยาลูกโซ่มากกว่าที่จะถูกทำให้แตกเป็นชิ้นโดยไม่ทำให้ฟิชชันทำให้เกิดผลผลิตที่สูงขึ้น อาวุธนิวเคลียร์แบบจำลองการระเบิดได้รับการพัฒนาโดยสหรัฐอเมริกาเพียงเล็กน้อยหลังจากอาวุธนิวเคลียร์ชนิดปืนชนิดแรก ระเบิดนิวเคลียร์ที่ทิ้งไว้ที่นางาซากิเพียงสามวันหลังจากการวางระเบิดที่ฮิโรชิมานั้นมีพื้นฐานมาจากการออกแบบแบบระเบิดซึ่งทำให้มันมีขนาดกะทัดรัดและเบาขึ้น
แม้จะมีการปรับปรุงเพิ่มขึ้นสำหรับอาวุธฟิชชันเช่นการใช้ปฏิกิริยาฟิวชั่นขนาดเล็กเพื่อเพิ่มผลผลิตขั้นตอนใหญ่ในการทำลายอาวุธนิวเคลียร์ก็คือการระเบิดฟิวชั่นหรือการระเบิดของไฮโดรเจน แทนที่จะแยกฟิชชัน (แยกออกจากกัน) ยูเรเนียมหรือพลูโตเนียมนิวเคลียสระเบิดฟิวชั่นจะหลอมรวมองค์ประกอบของแสง (ไฮโดรเจน) เข้าด้วยกันแล้วปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาจากการระเบิด นี่เป็นกระบวนการเดียวกับที่ใช้ควบคุมดวงอาทิตย์ อาวุธนิวเคลียร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่เป็นประเภทฟิวชั่นเนื่องจากผลผลิตที่ได้นั้นสูงกว่าอาวุธฟิชชันที่ดีที่สุด
หลังจากที่มีการสร้างระเบิดฟิวชั่นหลายครั้งก็ไม่มีขั้นตอนใดที่จะสามารถเพิ่มผลผลิตของอาวุธเหล่านี้ได้ดังนั้นการมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวิธีการส่งมอบที่ศัตรูที่มีศักยภาพจะไม่สามารถตอบโต้ได้ สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาของการส่งมอบ MIRV โดยมีการเปิดตัวขีปนาวุธนิวเคลียร์ที่ปล่อยออกมาจากชั้นบรรยากาศจากนั้นจะปล่อยยานพาหนะที่มุ่งสู่เป้าหมายได้อย่างอิสระ 6-8 คันเพื่อปล่อยฝนลงสู่เป้าหมายที่อยู่ติดกัน เนื่องจากยานพาหนะทุ่นระเบิดที่ใช้ปลายนิวเคลียร์กำลังเดินทางด้วยความเร็วสูงประมาณ 23 มัคการบล็อกหรือเบี่ยงเบนมันเป็นไปไม่ได้ในเทคโนโลยีปัจจุบัน
