Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες πυρηνικών όπλων, που ταξινομούνται βάσει του μηχανισμού λειτουργίας τους: οι βόμβες σχάσης, οι οποίες διασπούν βαρείς ατομικούς πυρήνες για να απελευθερώσουν ενέργεια και οι βόμβες σύντηξης, που συντήκουν ελαφρούς πυρήνες. Οι βόμβες σύντηξης τείνουν να είναι πολύ πιο ισχυρές. Σε αυτές τις κατηγορίες πυρηνικών όπλων, υπάρχουν μικρές παραλλαγές: για παράδειγμα, μια αλατισμένη βόμβα περιβάλλεται από ένα στρώμα υλικού που μπορεί να γίνει εξαιρετικά ραδιενεργό με βομβαρδισμό νετρονίων και τα όπλα ενισχυμένα με σχάση είναι πυρηνικά όπλα που, παρά το γεγονός ότι βασίζονται στη σχάση, τα εκμεταλλεύονται αντιδράσεις σύντηξης για να αυξηθεί η απόδοσή τους. Οι βόμβες νετρονίων, ή όπλα ενισχυμένης ακτινοβολίας, είναι όπλα σύντηξης που έχουν σχεδιαστεί για να εκπέμπουν έντονη ακτινοβολία νετρονίων, σκοτώνοντας όλη τη ζωή σε μια συγκεκριμένη περιοχή, αλλά προκαλώντας λιγότερη ζημιά στα κτίρια.
Οι περισσότερες παραλλαγές πυρηνικών όπλων έχουν σχεδιαστεί για να έχουν ένα φάσμα διαθέσιμων αποδόσεων και μεγεθών για διαφορετικές εφαρμογές. Το πιο τρομακτικό πυρηνικό όπλο όλων των εποχών ήταν η Tsar Bomba, μια σοβιετική βόμβα σύντηξης με εκρηκτική δύναμη 50 μεγατόνων TNT. Αρχικά σχεδιάστηκε να έχει απόδοση 100 μεγατόνων, αλλά αυτή μειώθηκε λόγω ανησυχιών για τις επιπτώσεις. Αντίθετα, τα μικρότερα πυρηνικά όπλα, όπως κάποια που δοκιμάστηκαν για την Επιχείρηση Plumbbob στο χώρο δοκιμών της Νεβάδα, μπορεί να έχουν απόδοση τόσο χαμηλή όσο ένας τόνος TNT ή λιγότερο. Το μικρότερο πυρηνικό όπλο που παρήχθη μαζικά για ανάπτυξη ήταν η κεφαλή Davy Crockett, σχεδιασμένη για εκτόξευση πεζικού από μικρούς όλμους με δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης. Αναπτύχθηκε στη Γερμανία για να προφυλαχθεί από μια σοβιετική εισβολή στην Ευρώπη.
Τα πρώτα σχέδια πυρηνικών όπλων διαμορφώθηκαν σύμφωνα με μικρά όπλα, τα οποία πυροβολούν ένα ημισφαίριο υψηλού εμπλουτισμένου ουρανίου σε ένα άλλο ημισφαίριο του ίδιου, ξεκινώντας μια πυρηνική αντίδραση και την επακόλουθη απελευθέρωση θερμότητας και φωτός σε μεγάλες ποσότητες. Πιο μοντέρνα σχέδια χρησιμοποιούν συγκροτήματα έκρηξης, όπου σφαίρες τμηματικού ουρανίου περιβάλλονται από χημικά εκρηκτικά που πυροδοτούνται όλα ταυτόχρονα, συγκεντρώνοντας το ουράνιο στο κέντρο και ξεκινώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση.
Είναι δυνατό να κατασκευαστούν πυρηνικά όπλα αρκετά μικρά, της τάξης του μεγέθους μιας τοστιέρας. Επειδή τα εξαιρετικά μεγάλα πυρηνικά όπλα προκαλούν παράπλευρες ζημιές με τη μορφή κατακρήμνισης και έχουν μειωμένες αποδόσεις επειδή μεγαλύτερο μέρος του ουρανίου διασπάται χωρίς σχάση, ο στρατός ευνοεί τα πυρηνικά όπλα μικρού έως μεσαίου βεληνεκούς. Περισσότερη εστίαση στη μέθοδο παράδοσης. Μέχρι να παροπλιστούν το 2005, η πιο τρομακτική μέθοδος παράδοσης πυρηνικών όπλων παγκοσμίως ήταν ο αμερικανικός πύραυλος LGM-118A Peacekeeper. Περιείχε 10 οχήματα επανεισόδου, το καθένα με πυρηνική κεφαλή 25 φορές ισχυρότερη από τη βόμβα που αποτέφρωσε τη Χιροσίμα. Ένα από αυτά θα μπορούσε να προκαλέσει καταστροφή σε μια πολύ μεγάλη έκταση γης.