Atomska bomba deluje tako, da sproži jedrsko verižno reakcijo, ki sprosti ogromno energije v primerjavi z običajnimi eksplozivi. Na enoto prostornine je lahko atomska bomba milijone ali milijarde krat močnejša od TNT. Prva atomska eksplozija se je zgodila 16. julija 1945 na testnem poligonu Alamogordo v Novi Mehiki med testom, imenovanim Trinity. Razvit je bil med strogo tajnim projektom Manhattan, ki ga je vodil general Leslie R. Groves iz ameriške vojske.
Do jedrskih reakcij pride, ko se nevtroni izstrelijo na tesno pakirane atome s težkimi jedri (izotopi urana ali plutonija). Ta težka jedra se razpadejo na lažja jedra, ko jih zadene nevtron, kar posledično ustvari več nevtronov, ki bombardirajo druga jedra, kar ustvarja verižno reakcijo. Ta proces je znan kot fisija. (Drug proces, znan kot fuzija, sprošča energijo tako, da združi jedra, namesto da jih razbije.) Z razgradnjo samih jeder namesto s sproščanjem energije s konvencionalno kemično reakcijo lahko atomske bombe sprostijo več kot 80 teradžulov energije na kilogram (TJ/ kg).
V najzgodnejših bombah se je verižna reakcija sprožila preprosto s sprožitvijo dveh polkrog uranovega izotopa visoke čistosti ena proti drugi v majhni komori. V posodobljenih zasnovah je jedro bombe iz urana ali plutonija obkroženo z visoko eksplozivnimi lečami, zasnovanimi za stiskanje jedra ob detonaciji. Stisnjeno jedro postane kritično in sproži verižno reakcijo, ki traja, dokler se veliko težkih jeder ne razbije.
Atomska bomba in njena sestrična vodikova bomba sta bili verjetno najmočnejše orožje na svetu od nastanka pred mnogimi desetletji. Velike bombe lahko uničijo cela mesta. Na tisoče atomskih bomb je bilo eksplodiranih, čeprav sta bili v vojskovanju uporabljeni le dve – obe so jih ZDA uporabile proti Japonski med drugo svetovno vojno. Obstaja sedem držav, ki odkrito izjavljajo, da imajo jedrsko orožje; ZDA, Rusija, Združeno kraljestvo, Francija, Ljudska republika Kitajska, Indija in Pakistan. Svet ima trenutno dovolj jedrskih zmogljivosti, da bi človeštvo večkrat izumrlo.