核子彈是利用鏈式裂變反應原理，在一個小的空間內瞬間釋放出巨大能量，從而產生爆炸的武器。從物理學的角度說，核子彈應該稱為「裂變彈」。
重原子核在中子或其他粒子轟擊下分裂成中等的原子核，就稱為核裂變反應。核裂變是先分裂成兩塊碎片，碎片的質量數不固定，可能這塊大點，那塊小點，經過衰變後形成穩定的原子核。所以鈾核裂變產生的新原子核中可能有鋇，也可能有鑭，還有對應的另一半，我國核物理學家錢三強還發現了一個鈾核裂變稱三塊的現象。
重核裂變時總會放出幾個中子，這些中子如果不跑掉，只要有一個或一個以上能夠打人另一個重核中，使之裂變，就會有新的中子產生。這些新的中子再去轟擊另一些重核，如此下去，核裂變反應就可以持續不斷地進行下去，核能就可以源源不斷地釋放出來。這種持續不斷的核裂變反應稱為「鏈式核裂變反應」。要實現鏈式核裂變反應需要一個條件，即當一個中子引起一個重核裂變後（第一代），至少要產生一個或一個以上中子，並保證至少有一個中子引起另一個重核裂變（第二代）。鏈式裂變反應有兩種情況：一種是通過控制使每代裂變反應產生的中子剛好只有一個能引起下一級的原子核發生裂變，使裂變得以長期維持並持續放能。這一種稱為可控鏈式裂變反應，常用於核電站、核潛艇的反應堆中。另一種情況是，每代裂變反應放出的中子有一個以上能引起下一級的核裂變反應，使裂變反應的規模越來越大。這一種稱為不可控（或稱發散型）鏈式裂變反應。例如：1個中子轟擊1個原子核時釋放出2個中子，放出的2個中子再轟擊2個原子核，這時會放出4個中子，再去轟擊4個原子核，再放出8個中子去轟擊8個原子核，再放出16個中子·······這樣，中子和參與裂變的原子核雪崩式地發展，短時間內能量驟然增長，最終形成爆炸。核武器就是利用這種不可控的鏈式裂變反應原理做成的。
在不可控的鏈式裂變反應過程中，實際情況常常是這樣的，由於原子核極其微小，一個中子射進去要碰上原子核是很不容易的。以鈾裂變材料為例，中子射人後的命運有兒種可能：①碰著鈾核使其發生裂變：②碰著鈾核而被散射；③碰著鈾核而被吸收；④什麼也沒碰著，跑出去了；⑤碰著雜質（如硼原子核）被吸收。發生上述各種情況的概率與裂變材料是什麼核素，與體積、形狀、密度、純度、表面積、周圍介質等因素密切相關。顯然裂變材料體積越大、密度越大、表面積越小，中子跑出去的概率就越小，發生裂變的概率就越大。裂變材料周圍的介質還有可能把跑出的中子擋回來。裂變材料越純，中子被雜質吸收的可能性就越小。當這塊裂變材料周圍條件一定時，如果中子減少的概率大於增加的概率，鏈式裂變就會中斷，習慣上叫「熄滅」。一塊裂變材料剛剛能夠維持裂變反應進行而不熄滅時的質量，稱之為「臨界質量」。此時的體積就稱為「臨界體積」。鈾—235裸球體的臨界質量約為50千克，而a相鈈—239裸球體的臨界質量只有10千克，8相鈈—239裸球體的臨界質量只有16千克。
核子彈爆炸是在極短的時間裡實現的，其物理過程非常複雜。根據實現超臨界的方式，核子彈可分為兩種類型：用「壓攏法」實現超臨界的，稱為「槍法核子彈」；用「壓緊法」實現超臨界的，稱為「內爆法核子彈」。雖然用「槍法」和「內爆法」發的核子彈的爆炸過程稍有不同，但主要的物理過程並無多大差異。現在的核子彈都屬於這兩種類型。核子彈必須包含裂變材料系統和炸藥系統。裂變系統包括裂變裝料芯和惰層，炸藥系統包括雷管、傳爆部件和主炸藥。此外，還有一個引爆控制系統和中子點火系統，引爆控制系統輸出給雷管點火的電脈衝，中子點火系統輸出給裂變系統點火的中子脈衝。
（1）槍法核子彈「槍法」，顧名思義就像打槍射擊一樣，把一塊處於次臨界狀態的裂變裝料射向另一塊也處於次臨界狀態的裂變裝料，使兩塊裝料迅速拼合，超過臨界質量而產生核爆炸。「槍法」核子彈結構比較簡單，利用較為成熟的發射炮彈的內彈道技術，就可能實現核爆炸，無需經過核試驗就可能製造出比較可靠的核子彈。美國投在廣島的「小男孩」就是未經試驗的「槍法」核子彈。「小男孩」核子彈長3.2米，直徑0.71米，重約4噸，裝有64千克濃縮鈾—235。由火藥推動作為「射彈」裂變材料的是一個圓柱形濃縮鈾塊3，長16厘米，直徑10厘米，重25.6千克，占總裂變材料的40％。裂變裝料的「靶」塊為一個中空圓柱形體濃縮鈾塊6，直徑和長度均為16厘米，重量38.4千克。在「射彈」與「靶」相距25厘米時，係統就達到臨界狀態。合攏速度為每秒300米，總合攏時間為1.35毫秒。中子點火器採用釙一鈹中子源。釙—210與鈹—9也是分開放在「靶」與「射彈」上，當牠們合攏時，釙與鈹就混合在一起放出點火中子，引發鏈式反應，產生核爆炸。
「槍法」核子彈有一些不易克服的缺點：一是被推動的鈾「射彈」需要一段加速距離，使武器必須做得較長；二是裂變裝料未經壓縮，利用率很低，如「小男孩」用了64千克鈾—235，爆炸威力僅約1.5萬噸梯恩梯當量，裂變材料利用率約為1.2％，這對昂貴的鈾—235材料是很大的浪費；三是幾塊裂變材料的合攏時間長，過早點火問題比較嚴重，可能導致武器爆炸威力更低。但是，「槍法」核子彈也有其優點，它的直徑可以做得小，很適合於做大炮炮彈。美國和前蘇聯的核大炮炮彈大多是「槍法」核子彈。
（2）內爆法核子彈 鈾—235和鈈—239都是金屬，金屬材料是可以壓縮的。科學家們研究出一種先進的爆炸壓縮方法，稱為「內爆法」。壓縮後密度提高，表面積大大縮小，裂變反應概率增加，裂變裝料的燃燒效率比「槍法」高几倍，大大節省了昂貴的裂變材料。
炸藥爆炸速度非常快，但再快也是可以用時間、速度計量的。在觀察一個管內的可燃氣體火焰面的傳播時，由於點火條件不同，可出現兩種截然不同的情況：一種是火焰面以每秒幾米的速度傳播；另一種則以每秒幾千米的速度傳播。前者稱為燃燒，後者稱為爆轟。在炸藥中也同樣如此，比如用火焰點燃梯恩梯，其火焰面傳播速度就很慢；如果用雷管引爆，其火焰面將以極高的速度傳播。火焰面是一個化學反應區，可燃物穿過這個面立即變成燃燒產物。在炸藥中以每秒幾千米的速度傳播的火焰面就稱為爆轟波。從中心向外傳播的爆轟波稱為散心爆轟波；反之，從周圍向中心傳播的爆轟波則稱為聚心爆轟波。普通炸彈的炸藥裝在裡面，彈丸彈片裝在外面，炸藥產生爆轟波向外作功。而內爆法核子彈炸藥裝在外層，核材料裝在裡面，炸藥產生聚心爆轟波向內壓縮核材料。
核子彈內爆壓縮最重要的是聚心同步問題。所謂同步，就是空間上的每一步在時間上都是一致的。比如在操場上畫了許多同心圓圈，每圈相隔一步，在外圈上均勻站著許多士兵，一聲命令齊步向中心走，每個士兵每一步都要同時踏進裡面一圈。這種動作是很難走整齊的，如果走不整齊，圓周上的隊形就會變得彎彎扭扭，像波浪一樣。內爆法核子彈對爆轟波的同步性要求很高，波形差一般都小於百萬分之一秒。
美國投在長崎的「胖子」就是「內爆法」核子彈，其炸藥內爆系統厚度為47厘米（外半徑70厘米，內半徑23厘米），重量約2500千克。用來起爆主炸藥的有32個炸藥透鏡。每個炸藥透鏡由高爆速炸藥和低爆速炸藥組合而成，用以保證在主炸藥表面上形成近似球體的爆轟波。主炸藥由高爆速炸藥組成。由於主炸藥球面加了一層炸藥透鏡，橫向尺寸增大了，所以被命名為「胖子」。「胖子」僅用了6.2千克鈈材料，爆炸威力約為2萬噸梯恩梯當量，裂變材料利用率為20％，約為「小男孩」的16倍。
「內爆法」核子彈的效率雖然比「槍法」核子彈高得多，但內爆法所需的龐大的炸藥系統使得武器十分笨重，如果減少炸藥用量，裂變材料的壓縮必然不理想，裂變材料的利用率必然降低，影響武器威力。怎樣才能既提高裂變材料的利用率從而提高核子彈威力，又能降低核子彈的重量、尺寸呢？科學家便研究出了助爆型核子彈。
（3）助爆型核子彈 科學研究發現，在裂變裝置爆炸時，裂變裝料中心部分的壓力可達到幾百億個大氣壓，溫度達幾千萬度。如果在裂變裝料中心留一個空腔，在裡邊充少量聚變材料（如氘氚混合氣體或氘氚化鋰—6），裂變產生的高溫高壓足以引發聚變反應。聚變反應釋放的中子會使更多的裂變材料發生裂變反應，從而提高裂變裝料的利用效率。另外，聚變反應產生的高能中子（約14兆電子伏）還能夠使惰層／中子反射層中不易裂變的鈾—238發生裂變，釋放出更多的中子和能量。裂變和聚變兩種反應的相互作用使得裂變系統的鏈式反應增殖快得多，在裂變系統解體之前有更多的重核發生裂變，大大提高了裂變材料的利用效率，核子彈爆炸威力就更大，這就是助爆型核子彈的原理。
助爆型核子彈也稱加強型核子彈，是內爆法核子彈的一種發展，其基本結構與內爆法核子彈相同，只是在裂變材料的中心加了氘氚或氘化鋰等聚變材料。助爆型核子彈最外圈是炸藥內爆系統，往裡是一個鈹反射層；反射層裡面是裂變裝料鈈—239：中心是一個充滿氘氚氣體的小空腔，氘氚在裂變產生的高溫高壓下發生聚變反應，釋放大量的高能中子：這些高能中子會使更多裂變裝料發生裂變而釋放出巨大能量。
助爆型核子彈提高裂變裝料的利用率，增大爆炸威力，有利於裝置的小型化。其威力可達十幾萬噸梯恩梯當量，並且可以很容易地通過改變熱核材料的裝填量或氘氚的含量來調節爆炸威力。助爆型核子彈常用作氫彈的「初級」。