Obstajata dve glavni kategoriji jedrskega orožja, ki sta razvrščena glede na njihov mehanizem delovanja: cepitvene bombe, ki razbijejo težka atomska jedra, da sprostijo energijo, in fuzijske bombe, ki zlijejo lahka jedra. Fuzijske bombe so ponavadi veliko močnejše. Znotraj teh kategorij jedrskega orožja obstajajo majhne različice: na primer, soljena bomba je obdana s plastjo materiala, ki lahko postane zelo radioaktiven z nevtronskim bombardiranjem, in orožje s pospeševanjem cepitve je jedrsko orožje, ki kljub temu, da temelji na fisiji, izkorišča fuzijske reakcije za povečanje njihovega donosa. Nevtronske bombe ali orožje z izboljšanim sevanjem so fuzijsko orožje, zasnovano za oddajanje intenzivnega nevtronskega sevanja, ki ubije vse življenje na določenem območju, vendar naredi manj škode na zgradbah.
Večina različic jedrskega orožja je zasnovana tako, da imajo spekter razpoložljivih izkoristkov in velikosti za različne aplikacije. Najbolj grozljivo jedrsko orožje vseh časov je bila Car Bomba, sovjetska fuzijska bomba z eksplozivno silo 50 megaton TNT. Sprva je bil zasnovan tako, da je imel donos 100 megaton, vendar so ga zmanjšali zaradi skrbi za padavine. Nasprotno pa ima najmanjše jedrsko orožje, kot so nekatera testirana za operacijo Plumbbob na testnem poligonu v Nevadi, lahko donos le tone TNT ali manj. Najmanjše jedrsko orožje, ki je bilo množično proizvedeno za uporabo, je bila bojna glava Davy Crocketta, zasnovana za izstrelitev pehote iz majhnih minometov, ki jih je mogoče premestiti. V Nemčiji je bil nameščen za zaščito pred sovjetsko invazijo na Evropo.
Najzgodnejše zasnove jedrskega orožja so bile oblikovane po majhnih puškah, ki izstrelijo poloblo visoko obogatenega urana v drugo enako poloblo, kar sproži jedrsko reakcijo in posledično sproščanje toplote in svetlobe v velikih količinah. Sodobnejši modeli uporabljajo implozijske sklope, kjer so krogle segmentiranega urana obkrožene s kemičnimi eksplozivi, ki vsi detonirajo hkrati, koncentrirajo uran v središču in sprožijo verižno reakcijo.
Možno je izdelati jedrsko orožje, ki je precej majhno, velikosti opekača. Ker izjemno veliko jedrsko orožje povzroča stransko škodo v obliki padavin in ima zmanjšan izkoristek, ker se več urana razstreli brez cepitve, vojska daje prednost jedrskemu orožju v majhnem do srednjem dosegu. Več pozornosti je treba nameniti načinu dostave. Dokler niso bili razgrajeni leta 2005, je bila najbolj grozljiva metoda dostave jedrskega orožja po vsem svetu ameriška raketa LGM-118A Peacekeeper. Vseboval je 10 povratnih vozil, vsako z jedrsko bojno glavo, 25-krat močnejšo od bombe, ki je sežgala Hirošimo. Eden od teh bi lahko uničil na zelo širokem območju zemlje.