핵무기는 핵분열이나 핵융합에서 발생하는 막대한 에너지를 이용한 무기로, 재래식 폭탄과 비교할 수 없을 정도의 파괴력을 지닌다. 나치 독일이 먼저 개발을 시도했으나 연합국의 스파이 활동으로 실패했고, 실제 전쟁에 사용된 것은 1945년 8월 미국이 일본 히로시마에 투하한 리틀 보이와 나가사키에 투하한 팻 맨 두 차례뿐이다. 이후 미국, 소련, 영국, 프랑스, 중국 등이 핵실험을 이어갔으며, 특히 1961년 소련이 실험한 차르 봄바는 TNT 5,000만 톤(50메가톤) 규모로 역사상 최대 위력의 핵폭탄으로 기록되었다. 핵무기는 단순한 폭발력 증가뿐 아니라, 한 발의 미사일에 여러 개의 탄두를 탑재해 각각 다른 목표를 공격하는 MIRV(다탄두 각개목표 재돌입) 기술과 명중률(CEP) 향상으로 발전해 왔다. 종류로는 핵분열을 이용한 원자폭탄(포신형, 내폭형)과 핵융합을 이용한 수소폭탄이 있으며, 초기 히로시마 폭탄의 경우 효율성이 1%에 불과할 정도로 낮았지만 기술이 발전하면서 위력과 효율이 크게 개선되었다.