Il existe deux grandes catégories d’armes nucléaires, classées selon leur mécanisme de fonctionnement : les bombes à fission, qui brisent les noyaux atomiques lourds pour libérer de l’énergie, et les bombes à fusion, qui fusionnent les noyaux légers. Les bombes à fusion ont tendance à être beaucoup plus puissantes. Au sein de ces catégories d’armes nucléaires, il existe de légères variantes : par exemple, une bombe salée est entourée d’une couche de matière qui peut devenir hautement radioactive par bombardement neutronique, et les armes à fission sont des armes nucléaires qui, bien qu’étant basées sur la fission, exploitent réactions de fusion pour augmenter leur rendement. Les bombes à neutrons, ou armes à rayonnement amélioré, sont des armes à fusion conçues pour émettre un rayonnement neutronique intense, tuant toute vie dans une certaine zone mais causant moins de dégâts aux bâtiments.
La plupart des variantes d’armes nucléaires sont conçues dans le but d’avoir un éventail de rendements et de tailles disponibles pour différentes applications. L’arme nucléaire la plus redoutable de tous les temps était la Tsar Bomba, une bombe à fusion soviétique d’une force explosive de 50 mégatonnes de TNT. Au début, il était conçu pour avoir un rendement de 100 mégatonnes, mais cela a été réduit en raison de problèmes de retombées. En revanche, les plus petites armes nucléaires, comme certaines testées pour l’opération Plumbbob sur le site d’essai du Nevada, peuvent avoir un rendement aussi bas qu’une simple tonne de TNT, voire moins. La plus petite arme nucléaire produite en série pour le déploiement était l’ogive Davy Crockett, conçue pour le lancement de l’infanterie à partir de petits mortiers redéployables. Il a été déployé en Allemagne pour se prémunir contre une invasion soviétique de l’Europe.
Les premières conceptions d’armes nucléaires ont été modelées sur de petits canons, qui tirent un hémisphère d’uranium hautement enrichi dans un autre hémisphère du même, déclenchant une réaction nucléaire et le dégagement de chaleur et de lumière qui s’ensuit en grande quantité. Des conceptions plus modernes utilisent des assemblages à implosion, où des sphères d’uranium segmenté sont entourées d’explosifs chimiques qui explosent tous simultanément, concentrant l’uranium au centre et déclenchant une réaction en chaîne.
Il est possible de fabriquer des armes nucléaires assez petites, de l’ordre de la taille d’un grille-pain. Parce que les armes nucléaires extrêmement grosses causent des dommages collatéraux sous la forme de retombées et ont des rendements réduits parce qu’une plus grande partie de l’uranium est soufflée sans fission, l’armée privilégie les armes nucléaires de petite à moyenne portée. Plus d’accent mis sur la méthode de livraison. Jusqu’à leur déclassement en 2005, la méthode de livraison la plus redoutable pour les armes nucléaires dans le monde était le missile américain LGM-118A Peacekeeper. Il contenait 10 véhicules de rentrée, chacun avec une ogive nucléaire 25 fois plus puissante que la bombe qui a incinéré Hiroshima. L’un d’entre eux pourrait semer la destruction sur une très large bande de terre.