原子弹的爆炸属于核裂变反应，即一个重原子核分裂成若干个轻原子核，这与核聚变反应正好相反。为什么聚变反应和裂变反应都会释放能量呢？自然界中各序列的原子核的稳定程度是不一样的，最稳定的是位居中位的铁原子核（铁族元素），越往两边越不稳定，尤其是往重元素方向表现的很明显——有些原子序数特别大的元素（如238U）已经非常不稳定，甚至会自发地释放出α射线。自然界中有条重要规律，一个物理系统从不稳定状态转化到稳定状态时往往会释放出能量，比如位于山坡上的石头（不稳定状态）滚落到山脚下（稳定状态）时，石头的引力势能被释放。根据这个原理，要获得核能，就要把排列两端的元素（不稳定）转化成尽量靠近铁的元素（稳定），这个过程必然有巨大的核能释放出来。这就是为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量的原因——反应后生成的新原子核都比原来更靠近铁族元素了。
原子弹的裂变材料是铀235或钚239，当它们达到临界质量（临界质量与它的几何形状和物理密度等有关）时，由核材料自发裂变产生的中子（或外来的中子）就会引起链式裂变反应而释放出大量能量。原子弹的设计就是要让这种武器中的核材料平时处于安全的次临界状态，可以贮存和运输；战时一旦投掷出去，就能在到达预定目标后迅速转换成超临界状态，在点火中子（开始引起链式反应的中子）的作用下触发链式反应，从而产生雪崩式的核裂变而爆炸（以铀235为例，如果链式反应仅由1个中子开始，那么产生10万吨当量的爆炸大约需经过58代，而99.9%的能量是在最后7代中释放出来的）。要实现这一点是很不容易的，涉及到爆轰物理、流体力学、冲击波动力学、高温高压凝聚态物理等多种学科的联合攻关。
原子弹的构形主要有两种：枪法——压拢型和内爆法——压紧型。压拢型原子弹中的核材料一般分成三块，都是次临界状态，引爆装置起爆后，将其中一块快速射向另两块，实现三块合一，这样就大大超过了临界体积，导致核爆炸。压拢型原子弹相对制造技术简单，容易实现，但缺点是核材料利用率低。在裂变反应发生时，核材料就是常态密度，没有经过压缩；核爆炸后，这些核材料迅速膨胀，瞬间返回到次临界状态，大部分核材料都没来得及参与裂变反应，所以导致利用率很低。美国1945年8月6日投向日本广岛的原子弹就是枪法原子弹，里面核装药有64公斤，但实际只利用了1.2%，爆炸威力为1.5万吨TNT当量。
内爆型原子弹就是要克服枪法原子弹的上述缺点。这种原子弹采用同步性很高的内爆技术，利用高能炸药从外向里爆炸压缩核材料，使原本处于次临界状态的核材料体积大大缩小，密度大大增加，从而超过临界状态，发生裂变爆炸。中子在高密度材料中碰撞的概率大大增加，泄露也减少了，这样就使裂变反应快速而猛烈，核材料的利用率明显提高，原子弹的威力也就增大了。1945年8月9日美国投向日本长崎的原子弹就是内爆型，核装药只有6.2公斤，但爆炸威力却有2.1万吨TNT当量（1公斤裂变材料完全发生裂变反应，威力相当于2万吨TNT炸药爆炸，可见核爆炸时，参与反应的物质只占核装料的很小一部分）。我们把它和广岛原子弹一对比，很容易就能发现内爆型原子弹的优势。
制造原子弹最大的技术难点有两个：一是提纯生产铀235，二就是内爆压缩。包裹在核材料外面的内爆炸药被引爆后，形成一个球面汇聚的爆轰波，向内压缩物体。此时的关键是爆轰波的传播要同步发展，时时都要保持球面波形向内传播和压缩。如果用慢镜头观察这个过程，爆轰波阵面向内推进就像阅兵场上齐步走的士兵一样，完全保持整齐划一、不差分毫，形成泰山压顶之势。每个士兵在行动时间上的误差必须控制在几百万分之一秒内，这就是所谓的同步性。要做到这一点显然是很不容易的，对引爆信号和雷管爆炸的同时性、炸药部件的几何对称性和密度均匀性等都提出了非常苛刻的要求。
