Yra dvi pagrindinės branduolinių ginklų kategorijos, suskirstytos pagal veikimo mechanizmą: dalijimosi bombos, kurios suskaido sunkiuosius atominius branduolius, kad išlaisvintų energiją, ir sintezės bombos, kurios sulieja lengvuosius branduolius. Sintezės bombos paprastai būna daug galingesnės. Šiose branduolinių ginklų kategorijose yra nedideli variantai: pavyzdžiui, sūdyta bomba yra apsupta medžiagos sluoksniu, kuris gali tapti labai radioaktyvus bombarduojant neutronus, o dalijimąsi skatinantys ginklai yra branduoliniai ginklai, kurie, nors ir yra pagrįsti dalijimu, yra naudojami. sintezės reakcijos, kad padidėtų jų derlius. Neutroninės bombos arba sustiprintos spinduliuotės ginklai yra branduolių sintezės ginklai, skirti skleisti intensyvią neutroninę spinduliuotę, naikinančią visą gyvybę tam tikroje srityje, tačiau padarydami mažiau žalos pastatams.
Dauguma branduolinio ginklo variantų yra sukurti tam, kad būtų galima turėti įvairių galių ir dydžių įvairioms reikmėms. Pats baisiausias visų laikų branduolinis ginklas buvo „Tsar Bomba“ – sovietų sintezės bomba, kurios sprogstamoji jėga siekė 50 megatonų trotilo. Iš pradžių jis buvo skirtas 100 megatonų našumui, tačiau jis buvo sumažintas dėl susirūpinimo dėl kritimo. Priešingai, mažiausių branduolinių ginklų, pavyzdžiui, kai kurių, išbandytų Nevados bandymų poligone „Plumbbob“ operacijai, išeiga gali siekti vos toną trotilo ar mažiau. Mažiausias branduolinis ginklas, masiškai pagamintas dislokavimui, buvo Davy Crockett kovinė galvutė, skirta pėstininkams paleisti iš mažų perdislokuojamų minosvaidžių. Jis buvo dislokuotas Vokietijoje, siekiant apsisaugoti nuo sovietų invazijos į Europą.
Ankstyviausios branduolinių ginklų konstrukcijos buvo sukurtos pagal mažų pabūklų modelius, kurie iš labai prisodrinto urano pusrutulio šaudo į kitą to paties pusrutulį, sukeldami branduolinę reakciją ir išskirdami didelius šilumos ir šviesos kiekius. Šiuolaikiškesnėse konstrukcijose naudojami sprogimo mazgai, kai segmentuoto urano sferos yra apsuptos cheminių sprogmenų, kurie visi detonuoja vienu metu, koncentruodami uraną centre ir pradėdami grandininę reakciją.
Galima pagaminti gana mažo dydžio branduolinius ginklus, kurių dydis prilygsta skrudintuvui. Kadangi itin dideli branduoliniai ginklai sukelia netiesioginę žalą iškritimo forma ir sumažina išeigas, nes daugiau urano išpučiama neskildamas, kariuomenė teikia pirmenybę mažo ir vidutinio nuotolio branduoliniams ginklams. Daugiau dėmesio skirkite pristatymo būdui. Iki jų eksploatavimo nutraukimo 2005 m., baisiausias branduolinių ginklų pristatymo būdas visame pasaulyje buvo amerikietiška LGM-118A taikos palaikymo raketa. Jame buvo 10 sugrįžtančių transporto priemonių, kurių kiekviena turėjo 25 kartus galingesnę branduolinę galvutę nei bomba, kuri sudegino Hirosimą. Vienas iš jų galėtų sunaikinti labai plačią žemės plotą.