El principi de funcionament de la bomba A és semblant al d’un reactor nuclear, en el qual la massa del combustible és àmpliament superior a la massa crítica; inicialment, el combustible és fragmentat, i cada un dels trossos, suficientment allunyat dels altres, de manera que no sigui atesa la talla crítica; l’explosió es produeix en apropar els fragments entre ells bruscament. A fi d’augmentar el rendiment i l’eficàcia d’una bomba A cal emprar combustibles pràcticament purs; els utilitzats fins ara han estat l’urani 235 i el plutoni 239. El primer és difícil i car d’obtenir, perquè no és possible de separar-lo químicament de l’urani natural i hom ha de recórrer a procediments físics com la difusió gasosa; el segon, que apareix com a subproducte en els reactors d’urani natural, pot ésser aïllat per procediments químics clàssics.
En la bomba H, la fusió dels nuclis d’àtoms lleugers (correntment hidrogen 2 i hidrogen 3) desprèn una energia calorífica específica molt més gran que les bombes A. Això no obstant, per a iniciar la reacció de fusió són necessàries temperatures molt elevades, aconseguides correntment associant una bomba A a una bomba H. Contràriament a les bombes A, les bombes H no contaminen el lloc d’explosió amb productes radioactius. Hom mesura l’energia explosiva de les bombes nuclears per comparació amb la despresa per una massa d’un milió de tones de TNT (megatona).
Arran de la descoberta de la fissió vers la fi del 1938, una sèrie de científics es dedicaren especialment a estudiar aquest fenomen. Leo Szilard, Eugene Paul Wigner, Albert Einstein i d’altres reberen (1939) del govern dels EUA un crèdit inicial per a fer una investigació aprofundida de l’energia nuclear. El fet d’intervenir els nord-americans en la guerra feu augmentar notablement els pressuposts de les investigacions, cosa que les accelerà. El 2 de desembre de 1942 aconseguiren d’engegar el primer reactor nuclear, amb intervenció directa d’Enrico Fermi, que fou la base dels primers càlculs seriosos de l’energia que es podia alliberar en una bomba nuclear. Els treballs per a la consecució de la primera bomba nuclear de fissió foren duts a terme a Los Alamos sota la direcció de Jacob Robert Oppenheimer amb el nom de projecte Manhattan, i la prova tingué lloc a Alamogordo (New Mexico) el 16 de juliol de 1945; el combustible emprat fou plutoni 239. Una bomba d’urani 235 fou llançada sobre Hiroshima (Japó) el 6 d’agost de 1945; el 9 d’agost del mateix any una bomba de plutoni 239 arrasà Nagasaki (Japó). Posteriorment, l’URSS (1949), el Regne Unit (1952), França (1960) i la República Popular de la Xina (1965) han provat i construït llurs pròpies bombes nuclears.