Bom nguyên tử hoạt động bằng cách tách các nguyên tử, trong khi bom khinh khí, còn được gọi là bom hạt nhân, hút năng lượng của chúng từ việc hợp nhất các nguyên tử với nhau. Trong khi cả hai loại phản ứng đều liên quan đến hạt nhân của nguyên tử và cả hai đều có thể do đó được gọi một cách chính xác là "hạt nhân", truyền thống đã dành từ này cho các loại phản ứng chỉ dành riêng cho các thiết bị nhiệt hạch.
Một quả bom nguyên tử hoạt động bằng cách tách hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố nặng để tạo ra nguyên tử của các nguyên tố con cùng với một lượng lớn năng lượng. Chính nguồn năng lượng này đã cung cấp cho quả bom nguyên tử sức tàn phá khủng khiếp. Mặt khác, vũ khí hạt nhân hoặc nhiệt hạch hoạt động bằng cách đốt nóng các nguyên tử của một nguyên tố nhẹ, điển hình là hydro, đến mức sự va chạm giữa chúng dẫn đến sự hợp nhất thành một nguyên tử heli. Phản ứng này cũng giải phóng một lượng lớn năng lượng, là nguồn gốc của khả năng hủy diệt bom hạt nhân. Bom hạt nhân sử dụng bom nguyên tử loại phân hạch tiêu chuẩn làm bộ kích nổ của chúng để tạo ra nhiệt và áp suất cần thiết cho quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân kém hiệu quả hơn cho mỗi lần tương tác so với sự phân hạch plutonium, nhưng bom hydro nhiều hơn bù đắp cho sự kém hiệu quả tương đối đó bằng cách mang theo một lượng lớn nhiên liệu hydro. Số lượng phản ứng nhiều hơn trong bom hạt nhân khiến lực của nó từ phạm vi kiloton phổ biến đối với bom nguyên tử lên phạm vi megaton đã khiến vũ khí hạt nhân trở thành một trong những thiết bị mạnh nhất từng được chế tạo.
