核武器的发明建基于二十世纪初科学界对原子内部结构的研究成果，历史上的第一个核武器是一种内爆式钚裂变炸弹，它在1945年7月16日在美国阿拉莫戈多试验场被引爆，是第二次世界大战时美国的核武器研发计划——曼哈顿项目——的其中一环。另一种威力更强的核武器——热核炸弹——在战后的1951年5月在太平洋上的恩尼威托克岛试验场首次被引爆，爆炸威力大大超过裂变炸弹。热核炸弹至今也是世界最大威力的炸弹类型，其威力可达到同等质量的化学炸药的数千万倍以上。热核炸弹后来由前苏联实用化，使用了固体炸弹燃料，体积因此大幅缩小，AN602氢弹是目前人类所引爆过的最大当量的炸弹 。
轰炸机：早期的核武器太大了，他们只能被B-29等飞机运载和投放，但在1950年代中期，可由战斗轰炸机搭载的较小型的核武器被研制出来。这种新型空基的自由落体炸弹运用了多种新技术，包括翻滚轰炸，伞降投掷，卧倒模式，以保证给予载机足够的逃离时间。
弹道导弹：弹道导弹采用抛射物弹道飞行，通常用于超视距的战斗部投送。机动弹道导弹具有十到上百公里的射程，洲际弹道导弹和潜射弹道导弹，每颗导弹可携带一打战斗部，而每个战斗部的当量下降到数万到数十万吨级。这样一次发射就可威胁多个目标，或对一个目标造成更有效的打击。
巡航导弹：这种导弹使用喷气发动机或火箭发动机提供动力，以低空巡航的方式飞行，使用自动导航系统（基本上是惯导，但也有GPS导航和雷达中继制导作为辅助），虽然只是低速和大气中飞行，但新式巡航导弹以低飞进入普通陆基雷达的盲区所以突防能力比早年的前辈V-1火箭更强。巡航导弹的射程较之弹道导弹要近，且携载能力也要差一些，当今也没有服役的多战斗部巡航导弹。导弹可从潜艇、舰船及飞机上发射。
其他可能的投送方式包括榴弹炮的核炮弹、核地雷（蓝孔雀）、核深水炸弹、核鱼雷、核迫击炮弹。 50年代，美国研制了用于空中截击的无控空-空火箭箭载小型核战斗部，装备于F-106截击机，但其在1960年代就基本退役，而核深水炸弹也在1990年代退役。可由两人携带的小型战术核弹也已研制成功，被一些媒体夸张为所谓的手提箱炸弹，它被称为“特别打击核武库”。尽管如此，人们还在追求当量与便携性的最佳整合，以达到最大的军事效用。
传统上一个国家具备战略轰炸机、陆基核弹道导弹、弹道导弹潜艇的三栖投放方式，称为核三位一体，目前严格来看只有美国、俄罗斯，中国。
