利用鈾-235或鈈-239等重原子核裂變反應，暫態釋放出巨大能量的核武器。亦稱裂變彈。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級梯恩梯當量，有巨大的殺傷破壞力。它可由不同的運載工具攜載而成為核導彈、核航彈、核地雷或核炮彈等。
基本原理 鈾-235、鈈-239這類重原子核在中子轟擊下，會分裂成兩個中等質量數的核(稱裂變碎片)，同時放出2～3個中子和約180兆電子伏能量(相當於2.9×
要使鏈式反應自持地進行下去，原子彈中裂變裝料必須大於一定的數量，這個最低限量稱臨界質量。臨界質量的大小與裂變裝料的種類、密度、形狀及環境有關。鈾-235裸球的臨界質量約為50千克，δ相钚-239（密度為15.7克／立方厘米）裸球的臨界質量約為16千克，而ɑ相钚-239（密度為19.4克／立方厘米）裸球的臨界質量隻有10千克左右。如果在裂變裝料外面包上反射中子性能良好的鈾-238或鈹作反射層，則可減小其臨界質量，如在δ相钚-239包上2厘米厚的鈾-238球殼，其臨界質量可減小到約11千克。此外，提高裂變裝料的密度，也能有效地減小其臨界質量，如密度提高一倍，其臨界質量約可減小到原來的1/4。原子彈要裝足夠量的裂變裝料(亦稱核裝料)，但它在平時必須處於次臨界狀態，否則裂變裝料中自發裂變產生的中子或空氣中遊蕩的中子，會引起鏈式反應而造成核事故。
結構和裂變裝料 原子彈的設計原理，是使處於次臨界狀態的裂變裝料瞬間達到超臨界狀態，並適時提供若幹中子觸發鏈式反應。超臨界狀態可以通過兩種方法來達到:一種是“槍法”(gun method)，亦稱壓攏型。即把2～3塊處於次臨界的裂變裝料，在化學炸藥爆炸產生的力推動下迅速合攏而成為超臨界狀態。另一種是“內爆法”(implosion method)，亦稱壓緊型。即用化學炸藥爆炸產生的內聚沖擊波及高壓力，壓縮處於次臨界的裂變裝料，使裂變裝料的密度急速提高，而處於超臨界狀態。與“槍法”相比，“內爆法”可少用裂變裝料，因而被廣泛采用。
原子彈主要由引爆系統、炸藥層、反射層、核裝料和中子源等部件組成。引爆系統用來起爆炸藥；炸藥是推動、壓縮反射層和核裝料的能源；反射層由鈹或鈾-238構成。鈾-238不僅能反射中子，而且密度較大，可以減緩核裝料在釋放能量過程中的膨脹，使鏈式反應維持更長的時間，從而能提高原子彈的爆炸威力。核裝料主要是鈾-235或钚-239。鈾-235存在於天然鈾中，但含量隻有0.72％。原子彈需用含量達90％以上的高濃鈾。钚-239在中子轟擊下發生裂變的幾率比鈾-235大，裂變後放出的中子數也較多，用它作核裝料對提高核武器的比威力和使核武器小型化較為有利。钚-239在自然界中不存在，是通過核反應堆用中子照射鈾-238生成的。但生成物中還有钚-240，它的自發裂變幾率很高。钚-240含量越多，過早點火的危險就越大，即核裝置可能在尚未達到預定的超臨界狀態就發生鏈式裂變反應，因而使威力達不到設計指標。內爆法原子彈所用的钚中，钚-240含量一般不允許超過10％。含钚-240達20～30％的钚，隻能制造低當量或當量范圍要求不太嚴格的原子彈。槍法原子彈中不宜用钚作核裝料，因為壓攏的速度較慢，過早點火幾率太大。镅、鋦等超钚元素也有用作核裝料的前景。裸球鋦-245的臨界質量隻有3千克左右，這對原子彈的小型化有重要意義。但超钚元素的產量太低，成本昂貴，目前還未實際使用。
為瞭觸發鏈式反應，必須有中子源提供“點火”中子。核裝置的中子源可采用:氘氚反應中子源、釙-210-鈹源、钚-238-鈹源和锎-252自發裂變源等。
爆炸過程 核裝置在接到起爆指令後，引爆系統的雷管使炸藥起爆，炸藥的爆轟產物推動並壓縮反射層和核裝料，使之達到超臨界狀態，中子源適時提供若幹點火中子，於是核裝料內發生鏈式反應，並猛烈釋放能量。隨著能量的積累，溫度和壓力迅速升高，核裝料便逐漸膨脹，密度不斷下降，最終又成為次臨界狀態，鏈式反應趨向熄滅。從雷管起爆到中子點火前是爆轟、壓縮階段，通常要幾十微秒；從中子點火到鏈式反應熄滅是裂變放能階段，隻需零點幾微秒。原子彈在如此短暫的時間內放出幾百至幾萬噸梯恩梯當量的能量，使整個彈體和周圍介質都變成瞭高溫高壓的等離子體氣團，其中心溫度可達幾千萬攝氏度，壓力達幾百億大氣壓。原子彈爆炸產生的高溫高壓以及各種核反應產生的中子、γ射線和裂變碎片，最終形成沖擊波、光輻射、早期核輻射、放射性沾染和電磁脈沖等殺傷破壞因素（見核武器殺傷破壞效應）。
研究與發展 原子彈是科學技術的最新成果迅速應用到軍事上的一個突出例子。從1939年發現核裂變現象到1945年美國制成原子彈，隻花瞭6年時間。
1939年10月，美國政府決定研制原子彈，1945年造出瞭三顆。一顆用於試驗，兩顆投在日本。1945年8月6日投到廣島的原子彈，代號為“小男孩”(Little Boy)，是一顆“槍法”鈾彈，長約2.5米，直徑0.71米，重約4.1噸，威力不到20000噸。同年8月9日投到長崎的原子彈，代號為“胖子”(Fat Man)，是一顆“內爆法”钚彈，長約3.3米，直徑1.5米，重約4.5噸，威力約20000噸。
其他國傢爆炸第一顆原子彈的時間如下：蘇聯──1949年8月29日；英國──1952年10月3日；法國──1960年2月13日；中國──1964年10月16日；印度──1974年5月18日。
中國第一次核試驗以塔爆方式進行，用的是“內爆法”鈾彈。1965年5月14日第二次核試驗時，核裝置用飛機空投。1966年10月27日第四次核試驗時，核彈頭由導彈運載。
自1945年以來，原子彈技術不斷發展，體積、重量顯著減小，戰術技術性能日益提高。美國1963年服役的155毫米榴彈炮的核炮彈，長度不到1米，直徑隻有15厘米，重量約54千克，當量約在1000噸以下。原子彈小型化對於提高核武器的戰術技術性能和用作氫彈的起爆裝置（亦稱“扳機”）具有重要意義。為適應戰場使用的需要，發展瞭多種低當量和威力可調的核武器。為改進原子彈的性能，發展瞭加強型原子彈，即在原子彈中添加氘或氚等熱核裝料，利用核裂變釋放的能量點燃氘或氚，發生熱核反應，而反應中所放出的高能中子，又使更多的核裝料裂變，從而使威力增大。這種原子彈與氫彈不同，其熱核裝料釋放的能量隻占總當量的一小部分。炸藥的起爆方式和核裝置結構也在不斷改進，目的是提高炸藥的利用效率和核裝料的壓縮度，從而增大威力，節省核裝料。此外，提高原子彈的突防和生存能力以及安全性能，也日益受到重視。