Postoje dvije glavne kategorije nuklearnog oružja, klasificirane prema mehanizmu djelovanja: fisijske bombe, koje razbijaju teške atomske jezgre kako bi se oslobodila energija, i fuzijske bombe koje spajaju lake jezgre. Fuzijske bombe obično su mnogo snažnije. Unutar ovih kategorija nuklearnog oružja postoje male varijante: na primjer, slana bomba je okružena slojem materijala koji može postati visoko radioaktivan neutronskim bombardiranjem, a oružje potaknuto fisijom je nuklearno oružje koje, unatoč tome što se temelji na fisiji, iskorištava fuzijske reakcije kako bi se povećao njihov prinos. Neutronske bombe, ili oružje s pojačanim zračenjem, fuzijsko su oružje dizajnirano da emitira intenzivno neutronsko zračenje, ubijajući sav život unutar određenog područja, ali nanose manje štete zgradama.
Većina varijanti nuklearnog oružja dizajnirana je u svrhu pružanja spektra dostupnih prinosa i veličina za različite primjene. Najstrašnije nuklearno oružje svih vremena bila je Car Bomba, sovjetska fuzijska bomba s eksplozivnom snagom od 50 megatona TNT-a. Isprva je bio dizajniran da ima prinos od 100 megatona, ali to je smanjeno zbog problema s padavinama. Nasuprot tome, najmanje nuklearno oružje, poput nekih testiranih za operaciju Plumbbob na poligonu u Nevadi, može imati samo tonu TNT-a ili manje. Najmanje nuklearno oružje masovno proizvedeno za raspoređivanje bila je bojna glava Davy Crocketta, dizajnirana za lansiranje pješaštva iz malih premještavih minobacača. Bio je raspoređen u Njemačkoj kako bi se zaštitio od sovjetske invazije na Europu.
Najraniji dizajni nuklearnog oružja napravljeni su po uzoru na male topove, koji ispaljuju polukuglu visoko obogaćenog urana u drugu hemisferu istog, pokrećući nuklearnu reakciju i posljedično oslobađanje topline i svjetlosti u velikim količinama. Moderniji dizajni koriste implozijske sklopove, gdje su sfere segmentiranog urana okružene kemijskim eksplozivima koji svi istovremeno detoniraju, koncentrirajući uran u središtu i započinjući lančanu reakciju.
Moguće je napraviti nuklearno oružje koje je prilično malo, veličine tostera. Budući da iznimno veliko nuklearno oružje uzrokuje kolateralnu štetu u obliku padavina i ima smanjen prinos jer se veći dio urana raspršuje bez fisije, vojska daje prednost nuklearnom oružju u malom do srednjem dometu. Više pažnje stavite na način isporuke. Sve dok nisu povučeni iz upotrebe 2005. godine, najstrašnija metoda isporuke nuklearnog oružja u svijetu bila je američka raketa LGM-118A Peacekeeper. Sadržavao je 10 povratnih vozila, svako s nuklearnom bojevom glavom 25 puta snažnijom od bombe koja je spalila Hirošimu. Jedan od njih mogao bi uništiti vrlo široku površinu zemlje.