早在20世紀30年代，科學發現氫核聚變反應可以放出巨大的能量，太陽經久不衰的光輝就是來自氣核聚變，但人們未能首先開發利用聚變能，更沒有想到把它做成武器，原因在於當時找不到任何能源能夠提供聚變持續反應所需的溫度和壓力條件。原子能首先從裂變反應得到利用。在研製成功核子彈以後，核武器科學家進而想到，既然核子彈爆炸會產生極高的溫度，是否可以用來點燃聚變？
1941年9月，美籍義大利核物理科學家恩里科·費米和愛德華·特勒（Edward Teller），認為可以用核子彈爆炸的高溫和壓力使氘核產生聚變。由於它沒有臨界質量的限制，可以做成比核子彈威力大得多的武器。這個想法一直是研製氫彈的理論基礎。1942～1950年間，特勒提出的氫彈方案叫做「經典超級」彈，基本上是一個由液態氘組成的圓柱體。其設想是，用一個大的裂變彈引爆，使部分氘加熱到極高溫度，這部分被加熱的氘核將發生核聚變反應。聚變反應釋放的能量再傳遞給附近其他氘核，通過這種熱能的傳遞使核聚變反應傳播到整個氘圓柱體，從而釋放出比引爆裂變彈大兒百倍的能量。但是，「經典超級」彈設計中，在點火問題上存在難以克服的困難。核子彈爆炸提供的高溫不足以保證引起氘一氘反應，為了克服這個困難，設想加些氚，因為氘一氚反應點火溫度低于純氘一氘反應。然而數學家S.烏拉姆（S.Ulum）仔細計算後，發現需要昂貴的氚太多，很不現實。除點火問題外，熱核反應的傳播也大成問題。費米和烏拉姆進行的計算表明，氘一氘反應即使在局部發生，其傳播發展的可能性很小。因為氘一氘反應截面很小，而產生的能量損失很快，不足以點燃周圍的氘而使反應持續下去。要克服上述困難，必須對熱核燃料進行壓縮的方案。即熱核燃料（氘、氚）在點火燃燒前，先被壓縮到很高的密度，這樣，聚變反應釋放的能量就會以一種複雜的方式與電子和輻射光子分享，而不會很快損失掉。這一點特勒等人早在1946年就想到過，但不知道如何實現，曾考慮川高能炸藥產生的爆轟波來壓縮，可是經過計算，這不足以顯著提高聚變反應的效率。
直到1951年2月，烏拉姆在計算提高核子彈裂變效率的研究中得到啟發。當時的計算模型是裂變、聚變材料在一起，他發現這種構型的核材料會在大規模熱核燃燒發生之前飛散；同時又發現核子彈爆炸產生的X射線在周圍材料中沉積能量時有很大的反衝作用。烏拉姆由此開了竅，他想能不能用裂變爆炸產生的X射線引燃聚變反應，即X射線能不能作為從裂變中把能量傳輸給聚變燃料的主要于段？他把這一想法告訴了特勒，特勒馬上意識到用X射線去壓縮聚變燃料。1951年3月，特勒和烏拉姆合寫了一個報告，提出了用裂變初級的輻射能壓縮熱核次級的氫彈設計方案。同年4月，特勒又提出在熱核燃料中間加一個易裂變材料部件，稱為「火花塞」，其作用是對壓縮以後的熱核材料點火。這就是現在常說的氫彈「分級輻射內爆原理」，也稱「特勒一烏拉姆構型」。1952年11月1日，根據「特勒一烏拉姆構形」設計的世界上第一顆氫彈試驗裝置—「邁克」，試驗結果威力高達1040萬噸梯恩梯當量。從此，核武器的威力開始用百萬噸梯恩梯當量來衡量。
有關氫彈的具體結構是保密的。但在1974年出版的《大美百科全書》中，愛德華·特勒曾對氫彈的爆炸過程作的圖示中，①氫彈爆炸前的狀態表明，氫彈是由一枚裂變裝置來點燃熱核爆炸；②氫彈裂變裝置爆炸過程表明，在梯恩梯炸藥壓縮下，鈾—235達超臨界而發生鏈式反應，使溫度上升數百萬度，並釋放出大量中子：③氫彈聚變過程表明，由裂變裝置釋放的中子與熱核裝料氘化鋰中的鋰核反生反應，形成氮與氚，氚與氘聚變，釋放出更多中子：④氯彈裂變過程表明一些中子打在鈾—238外殼上，使其發生裂變，釋放出更多的能量。這種典型的「裂變一聚變一裂變」過程，稱為三相，這樣的氫彈被稱為「三相彈」。三相彈也稱氫鈾彈，是最早被用作武器的一種普通氫彈。
由於熱核燃料氘化鋰—6和輻射屏蔽層鈾—238不存在臨界質量問題，因而氫彈的威力原則上沒有限制。按照特勒一烏拉姆構型原理，可以將聚變燃料一級一級地串起來引爆，像串「糖葫蘆」一樣。爆炸威力的限制只取決於軍事的需要和投擲工具的載荷能力。核子彈威力通常為幾百噸至幾萬噸梯恩梯當量，而美國第一顆氫彈原理試驗裝置的威力高達千萬噸梯恩梯當量。前蘇聯1961年10月30日進行的超級氫彈試驗，設計威力是億噸級的，考慮到投彈飛機的安全，只好進行減威力試驗（把核材料減掉一部分），在新地島的6千米上空用圖—95飛機空投，爆炸威力為5800萬噸梯恩梯當量。