Al ajustar el diseño y el mecanismo operativo de una bomba nuclear, el rendimiento se puede modificar para que sea de un rango muy amplio. Por ejemplo, las bombas de hidrógeno, que fusionan núcleos atómicos para producir explosiones nucleares, tienden a ser más energéticas que las bombas atómicas, que en su lugar rompen núcleos atómicos para producir explosiones nucleares.
Las explosiones nucleares más pequeñas son «fallos», como la prueba de Corea del Norte el 9 de octubre de 2006, que tuvo un rendimiento de aproximadamente un kilotón de TNT, y las primeras pruebas de pequeñas armas nucleares tácticas, como la Operación Plumbbob durante 1957 en los Estados Unidos. Algunas de las explosiones nucleares en la Operación Plumbbob fueron muy pequeñas, como Pascal-A, la primera explosión nuclear subterránea del mundo, que tuvo un rendimiento de solo 55 toneladas (su rendimiento fue catalogado oficialmente como «leve», aunque el rendimiento de todas las demás prueba en Operación Plumbbob se hizo pública).
Pascal-B, otra prueba, tuvo un rendimiento de aproximadamente 500 toneladas. Tiros en globo Lassen y Wheeler tuvieron rendimientos por debajo de medio kilotón. Un disparo de superficie, Franklin, fracasó, produciendo un rendimiento de aproximadamente 140 toneladas, mientras que Coulomb-A, una prueba de seguridad, tuvo un supuesto rendimiento de cero. No se sabe qué tan pequeña sería la explosión nuclear más pequeña teóricamente posible, pero 55 toneladas es la más pequeña de la que hay un registro, y puede acercarse al límite inferior.
Las explosiones nucleares con un rendimiento de unas pocas docenas de toneladas se consideran extremadamente pequeñas, pero aún más grandes que casi todas las explosiones de armas convencionales. El bombardeo de Oklahoma City, que destruyó el edificio federal Alfred P. Murrah, tuvo un rendimiento de solo dos toneladas de TNT, matando a 168 e hiriendo a más de 800. La bomba convencional confirmada más grande, la GBU-43 / B Massive Ordnance Air Blast, ha un rendimiento equivalente a unas 11 toneladas de TNT, con un radio de explosión de 450 pies (137 m). Se dice que su onda de choque es suficiente para destruir nueve manzanas de la ciudad.
Si Pascal-A es una de las explosiones nucleares más pequeñas de todos los tiempos con un rendimiento de 55 toneladas, entonces la explosión nuclear más grande, una prueba soviética llamada Tsar Bomba, fue aproximadamente un millón de veces mayor, con un rendimiento de 50 megatones. En comparación, la bomba de Hiroshima, Little Boy, tuvo un rendimiento de solo 14 kilotones, pero esencialmente destruyó una ciudad entera. Un arma nuclear «típica» en los arsenales de los Estados Unidos y Rusia en la actualidad es de aproximadamente un par de megatones. Tsar Bomba fue tan grande que su rendimiento fue aproximadamente equivalente a diez veces los explosivos utilizados en la Segunda Guerra Mundial combinados. Podría haber causado quemaduras de tercer grado a una distancia de 58 km (36 millas). El radio de la bola de fuego fue de aproximadamente 2.5 km (1.5 millas) y duró 26 segundos. Esta arma nuclear era tan poderosa que aturde la mente.