Es gibt zwei Hauptkategorien von Atomwaffen, die nach ihrem Wirkungsmechanismus klassifiziert werden: Spaltbomben, die schwere Atomkerne zerlegen, um Energie freizusetzen, und Fusionsbomben, die leichte Kerne fusionieren. Fusionsbomben sind in der Regel viel stärker. Innerhalb dieser Atomwaffenkategorien gibt es leichte Varianten: So ist beispielsweise eine gesalzene Bombe von einer Materialschicht umgeben, die durch Neutronenbeschuss hochradioaktiv werden kann, und spaltungsverstärkte Waffen sind Kernwaffen, die, obwohl sie auf Spaltung basieren, ausbeuten Fusionsreaktionen, um ihre Ausbeute zu steigern. Neutronenbomben oder Waffen mit verbesserter Strahlung sind Fusionswaffen, die dazu entwickelt wurden, intensive Neutronenstrahlung auszusenden, die alles Leben in einem bestimmten Gebiet tötet, aber Gebäuden weniger Schaden zufügt.
Die meisten Nuklearwaffenvarianten sind darauf ausgelegt, ein Spektrum an verfügbaren Ausbeuten und Größen für verschiedene Anwendungen zu haben. Die furchterregendste Atomwaffe aller Zeiten war die Zarenbombe, eine sowjetische Fusionsbombe mit einer Sprengkraft von 50 Megatonnen TNT. Ursprünglich war es auf eine Ausbeute von 100 Megatonnen ausgelegt, wurde jedoch aufgrund von Fallout-Bedenken verkleinert. Im Gegensatz dazu können die kleinsten Atomwaffen, wie einige, die für die Operation Plumbbob auf dem Nevada-Testgelände getestet wurden, eine Ausbeute von nur einer Tonne TNT oder weniger haben. Die kleinste für den Einsatz in Massenproduktion hergestellte Nuklearwaffe war der Davy-Crockett-Sprengkopf, der für den Infanterieabschuss von kleinen wiederverwendbaren Mörsern ausgelegt war. Es wurde in Deutschland zum Schutz vor einer sowjetischen Invasion in Europa eingesetzt.
Die frühesten Nuklearwaffendesigns waren kleinen Geschützen nachempfunden, die eine Hemisphäre aus hochangereichertem Uran in eine andere Hemisphäre derselben schießen, eine Kernreaktion und die daraus folgende Freisetzung von Wärme und Licht in großen Mengen auslösen. Modernere Designs verwenden Implosionsanordnungen, bei denen Kugeln aus segmentiertem Uran von chemischen Sprengstoffen umgeben sind, die alle gleichzeitig detonieren, das Uran im Zentrum konzentrieren und eine Kettenreaktion auslösen.
Es ist möglich, Nuklearwaffen herzustellen, die ziemlich klein sind, in der Größenordnung eines Toasters. Da extrem große Atomwaffen Kollateralschäden in Form von Fallout verursachen und die Ausbeuten reduziert werden, weil mehr Uran ohne Kernspaltung zersprengt wird, bevorzugt das Militär Atomwaffen im kleinen bis mittleren Bereich. Mehr Fokus auf die Art der Lieferung. Bis zu ihrer Außerdienststellung im Jahr 2005 war die US-amerikanische Peacekeeper-Rakete LGM-118A die gefürchtetste Abschussmethode für Atomwaffen weltweit. Es enthielt 10 Wiedereintrittsfahrzeuge, jedes mit einem 25-mal stärkeren Atomsprengkopf als die Bombe, die Hiroshima verbrannte. Einer von ihnen könnte Zerstörung über einen sehr weiten Landstrich verteilen.