En ajustant la conception et le mécanisme de fonctionnement d’une bombe nucléaire, le rendement peut être modifié pour être d’une très large gamme. Par exemple, les bombes à hydrogène, qui fusionnent des noyaux atomiques pour produire des explosions nucléaires, ont tendance à être plus énergétiques que les bombes atomiques, qui brisent plutôt les noyaux atomiques pour les explosions nucléaires.
Les plus petites explosions nucléaires sont des « fizzles », comme le test de la Corée du Nord le 9 octobre 2006, qui a produit environ un kilotonne de TNT, et les premiers tests de petites armes nucléaires tactiques, comme dans l’opération Plumbbob en 1957 aux États-Unis. Certaines des explosions nucléaires de l’opération Plumbbob étaient très petites, comme Pascal-A, la première explosion nucléaire souterraine au monde, qui avait un rendement de seulement 55 tonnes (son rendement était officiellement répertorié comme léger, bien que le rendement de toutes les autres test de l’opération Plumbbob a été rendu public).
Pascal-B, un autre test, avait un rendement d’environ 500 tonnes. Les tirs de ballons Lassen et Wheeler avaient des rendements inférieurs à un demi-kilogramme. Un tir de surface, Franklin, a fait long feu, produisant un rendement d’environ 140 tonnes, tandis que Coulomb-A, un test de sécurité, avait un rendement présumé de zéro. On ne sait pas à quel point la plus petite explosion nucléaire théoriquement possible serait petite, mais 55 tonnes est la plus petite dont il existe un record, et peut approcher la limite inférieure.
Les explosions nucléaires avec des rendements de quelques dizaines de tonnes sont considérées comme extrêmement petites, mais toujours plus grandes que presque toutes les explosions d’armes conventionnelles. L’attentat d’Oklahoma City, qui a détruit le bâtiment fédéral Alfred P. Murrah, n’a produit que deux tonnes de TNT, tuant 168 personnes et en blessant plus de 800. La plus grosse bombe conventionnelle confirmée, la GBU-43/B Massive Ordnance Air Blast, a un rendement équivalent à environ 11 tonnes de TNT, avec un rayon de souffle de 450 pieds (137 m). Son onde de choc serait suffisante pour détruire neuf pâtés de maisons.
Si Pascal-A est l’une des plus petites explosions nucléaires de tous les temps avec un rendement de 55 tonnes, alors la plus grande explosion nucléaire, un essai soviétique appelé Tsar Bomba, était environ un million de fois plus grande, avec un rendement de 50 mégatonnes. En comparaison, la bombe d’Hiroshima, Little Boy, n’avait un rendement que d’environ 14 kilotonnes, mais elle a essentiellement détruit une ville entière. Une arme nucléaire typique dans les arsenaux des États-Unis et de la Russie de nos jours est d’environ quelques mégatonnes. Tsar Bomba était si énorme que son rendement était approximativement équivalent à dix fois les explosifs utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale combinés. Il aurait pu causer des brûlures au troisième degré à une distance de 58 km (36 mi). Le rayon de la boule de feu était d’environ 2.5 km (1.5 mi) et a duré 26 secondes. Cette arme nucléaire était si puissante qu’elle en est ahurissante.