Iako ne postoje službene definicije različitih generacija nuklearnog oružja, povjesničari i analitičari kontrole naoružanja često prepoznaju četiri opće kategorije, od kojih svaka predstavlja značajan tehnološki napredak u odnosu na posljednju. Zemlje koje razvijaju nuklearno oružje imaju tendenciju razvijati svaku fazu redom i rijetko preskaču faze, osim povremeno prvu. Ove faze su 1) fisijske bombe tipa topova, 2) fisijske bombe implozijskog tipa, 3) fuzijske bombe i 4) MIRV (višestruko neovisno ciljano vozilo za ponovno ulazak) isporučeno nuklearnim oružjem. Zapazite kako ne postoji jedinstveni organizacijski princip za ovu shemu; razlika između prvog i drugog temelji se na načinu detonacije, drugog i trećeg prema vrsti bombe, a trećeg i četvrtog prema korištenom sustavu isporuke.
Nuklearno oružje prve generacije u početku je razvijeno u Sjedinjenim Državama 1939.-1945. pod pokroviteljstvom strogo povjerljivog projekta Manhattan. Konstrukcija bombe poput pištolja znači da je njezin princip rada jedan komad obogaćenog urana koji se lansira u drugi poput topa. Kada se dvije jedinice urana spoje, one postižu kritičnu masu i pokreću nuklearnu lančanu reakciju. Rezultat je nuklearna eksplozija, poput onih koje su ubile 140,000 ljudi tijekom atomskog bombardiranja Hirošime tijekom Drugog svjetskog rata.
Nuklearno oružje implozijskog tipa poboljšava učinkovitost oružja pištoljskog tipa okružujući uran sferom eksplozivnih leća, dizajniranih da usmjere svoju energiju prema unutra i zbije uran. Rezultat je da se više urana troši u lančanoj reakciji umjesto da se raznese bez fisije, što rezultira većim prinosom. Implozijsko nuklearno oružje razvile su Sjedinjene Države tek malo nakon prvog nuklearnog oružja tipa pištolj. Nuklearna bomba koja je bačena na Nagasaki samo tri dana nakon bombardiranja Hirošime temeljila se na dizajnu implozijskog tipa, što je omogućilo da bude kompaktnija i lakša.
Unatoč postupnim poboljšanjima fisijskog oružja, kao što je korištenje male fuzijske reakcije za povećanje prinosa, sljedeći veliki korak prema gore u uništavanju nuklearnog oružja postiže se fuzijskom bombom, ili vodikovom bombom. Umjesto cijepanja (razbijanja) jezgri urana ili plutonija, fuzijska bomba spaja lagane elemente (vodik) i oslobađa višak energije u eksploziji. Ovo je isti proces koji pokreće Sunce. Većina modernog nuklearnog oružja je fuzijskog tipa, jer su postignuti prinosi puno veći od najboljih fisijskih oružja.
Nakon što su napravljene brojne fuzijske bombe, nije preostalo više koraka koji bi se mogli poduzeti za povećanje prinosa ovog oružja, pa je fokus prebačen na razvoj metoda isporuke kojima se potencijalni neprijatelj ne bi mogao suprotstaviti. To je dovelo do razvoja MIRV isporuke, pri čemu se balistička raketa s nuklearnim vrhom lansira iz atmosfere, nakon čega ispušta 6-8 neovisno ciljanih povratnih vozila kako bi se srušila na susjedne ciljeve. Kako se ova vozila za ponovno ulazak s nuklearnim vrhom putuju ekstremnim brzinama, oko 23 Macha, njihovo blokiranje ili preusmjeravanje u biti je nemoguće s trenutnim tehnologijama.