Esistono due categorie principali di armi nucleari, classificate in base al loro meccanismo di funzionamento: bombe a fissione, che rompono nuclei atomici pesanti per rilasciare energia, e bombe a fusione, che fondono nuclei leggeri. Le bombe a fusione tendono ad essere molto più potenti. All’interno di queste categorie di armi nucleari, ci sono lievi varianti: ad esempio, una bomba salata è circondata da uno strato di materiale che può diventare altamente radioattivo con il bombardamento di neutroni, e le armi potenziate a fissione sono armi nucleari che, pur essendo basate sulla fissione, sfruttano reazioni di fusione per aumentarne la resa. Le bombe ai neutroni, o armi a radiazioni potenziate, sono armi a fusione progettate per emettere intense radiazioni di neutroni, uccidendo tutta la vita all’interno di una certa area ma facendo meno danni agli edifici.
La maggior parte delle varianti di armi nucleari sono progettate allo scopo di avere uno spettro di rese e dimensioni disponibili per diverse applicazioni. L’arma nucleare più temibile di tutti i tempi è stata la Tsar Bomba, una bomba a fusione sovietica con la forza esplosiva di 50 megatoni di TNT. Inizialmente era stato progettato per avere una resa di 100 megatoni, ma questo è stato ridimensionato a causa di problemi di ricaduta. Al contrario, le armi nucleari più piccole, come alcune testate per l’operazione Plumbbob al Nevada Test Site, possono avere una resa di appena una tonnellata di tritolo, o meno. La più piccola arma nucleare prodotta in serie per il dispiegamento era la testata Davy Crockett, progettata per il lancio della fanteria da piccoli mortai ridisponibili. Fu schierato in Germania per difendersi da un’invasione sovietica dell’Europa.
I primi progetti di armi nucleari sono stati modellati su piccoli cannoni, che sparano un emisfero di uranio altamente arricchito in un altro emisfero dello stesso, avviando una reazione nucleare e il conseguente rilascio di calore e luce in grandi quantità. I progetti più moderni utilizzano gruppi di implosione, in cui sfere di uranio segmentato sono circondate da esplosivi chimici che esplodono tutti simultaneamente, concentrando l’uranio al centro e avviando una reazione a catena.
È possibile realizzare armi nucleari piuttosto piccole, dell’ordine delle dimensioni di un tostapane. Poiché le armi nucleari estremamente grandi causano danni collaterali sotto forma di ricaduta e hanno rendimenti ridotti perché una parte maggiore dell’uranio viene dispersa senza fissione, i militari favoriscono le armi nucleari nella gamma medio-piccola. Maggiore attenzione al metodo di consegna. Fino a quando non furono dismessi nel 2005, il metodo di consegna più temibile per le armi nucleari in tutto il mondo era il missile americano LGM-118A Peacekeeper. Conteneva 10 veicoli di rientro, ciascuno con una testata nucleare 25 volte più potente della bomba che ha incenerito Hiroshima. Uno di questi potrebbe distribuire la distruzione su un’area molto ampia di terra.