Vũ khí hạt nhân là loại vũ khí hủy diệt hàng loạt mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hạt nhân hoặc / và phản ứng hợp hạch gây ra. Một vũ khí hạt nhân nhỏ nhất cũng có sức công phá lớn hơn bất kỳ vũ khí nào.
Vũ khí có sức công phá tương đương với 10 triệu tấn thuốc nổ TNT có thể phá hủy hoàn toàn một thành phố. Nếu sức công phá là 100 triệu tấn (mặc dù hiện nay chưa thể thực hiện được) thì có thể phá hủy một vùng với bán kính 100 – 160km.
Cho đến nay, mới chỉ có hai quả bom hạt nhân được dùng trong Đệ nhị thế chiến: quả bom thứ nhất được ném xuống Hiroshima (Nhật Bản) vào ngày 6 tháng 8 năm 1945 có tên là Little Boy và được làm từ uranium; quả sau có tên là Fat Man và được ném xuống Nagasaki cũng ở Nhật Bản ba ngày sau đó, được làm từ plutonium.
Vũ khí hạt nhân đơn giản là lấy năng lượng từ quá trình phân hạch (còn gọi là phân rã hạt nhân). Một vật liệu có khả năng phân rã được lắp ráp vào một khối lượng tới hạn, trong đó khởi phát một phản ứng dây chuyền và phản ứng đó gia tăng theo tốc độ của hàm mũ, giải thoát một năng lượng khổng lồ. Quá trình này được thực hiện bằng cách bắn một mẫu vật liệu chưa tới hạn này vào một mẫu vật liệu chưa tới hạn khác để tạo ra một trạng thái gọi là siêu tới hạn.
Khó khăn chủ yếu trong việc thiết kế tất cả các vũ khí hạt nhân là đảm bảo một phần chủ yếu các nhiêu liệu được dùng trước khi vũ khí tự phá hủy bản thân nó. Thông thường vũ khí như vậy được gọi là bom nguyên tử, còn gọi là bom A.
Các loại vũ khí cao cấp hơn thì lấy năng lượng nhiều hơn từ quá trình nhiệt hạch (còn gọi là tổng hợp hạt nhân). Trong loại vũ khí này, bức xạ nhiệt từ vụ nổ phân rã hạt nhân được dùng để nung nóng và nén đầu mang tritium, deuterium, hoặc liti, từ đó xảy ra phản ứng nhiệt hạch với năng lượng được giải thoát lớn hơn rất nhiều.
Thông thường vũ khí như vậy được gọi là bom khinh khí, còn gọi là bom hydro, bom H hay bom nhiệt hạch. Nó có thể giải thoát một năng lượng lớn hơn hàng ngàn lần so với bom nguyên tử.
Người ta còn tạo ra các vũ khí tinh vi hơn cho một số mục đích đặc biệt. Vụ nổ hạt nhân được thực hiện nhờ một luồng bức xạ neutron xung quanh vũ khí hạt nhân, sự có mặt của các vật liệu phù hợp (như Coban hoặc vàng) có thể tăng độ ô nhiễm phóng xạ.
Người ta có thể thiết kế vũ khí hạt nhân có thể cho phép neutron thoát ra nhiều nhất; những quả bom như vậy được gọi là bom neutron. Về lý thuyết, các vũ khí phản vật chất, trong đó sử dụng các phản ứng giữa vật chất và phản vật chất, không phải là vũ khí hạt nhân nhưng nó có thể là một vũ khí với sức công phá cao hơn cả vũ khí hạt nhân.
