核武器的發明建基於二十世紀初科學界對原子內部結構的研究成果，歷史上的第一個核武器是一種內爆式鈈裂變炸彈，它在1945年7月16日在美國阿拉莫戈多試驗場被引爆，是第二次世界大戰時美國的核武器研發計劃——曼哈頓項目——的其中一環。另一種威力更強的核武器——熱核炸彈——在戰後的1951年5月在太平洋上的恩尼威托克島試驗場首次被引爆，爆炸威力大大超過裂變炸彈。熱核炸彈至今也是世界最大威力的炸彈類型，其威力可達到同等質量的化學炸藥的數千萬倍以上。熱核炸彈後來由前蘇聯實用化，使用了固體炸彈燃料，體積因此大幅縮小，AN602氫彈是目前人類所引爆過的最大當量的炸彈 。
轟炸機：早期的核武器太大了，他們只能被B-29等飛機運載和投放，但在1950年代中期，可由戰鬥轟炸機搭載的較小型的核武器被研製出來。這種新型空基的自由落體炸彈運用了多種新技術，包括翻滾轟炸，傘降投擲，臥倒模式，以保證給予載機足夠的逃離時間。
彈道導彈：彈道導彈採用拋射物彈道飛行，通常用於超視距的戰鬥部投送。機動彈道導彈具有十到上百公里的射程，洲際彈道導彈和潛射彈道導彈，每顆導彈可攜帶一打戰鬥部，而每個戰鬥部的當量下降到數萬到數十萬噸級。這樣一次發射就可威脅多個目標，或對一個目標造成更有效的打擊。
巡航導彈：這種導彈使用噴氣發動機或火箭發動機提供動力，以低空巡航的方式飛行，使用自動導航系統（基本上是慣導，但也有GPS導航和雷達中繼制導作為輔助），雖然只是低速和大氣中飛行，但新式巡航導彈以低飛進入普通陸基雷達的盲區所以突防能力比早年的前輩V-1火箭更強。巡航導彈的射程較之彈道導彈要近，且攜載能力也要差一些，當今也沒有服役的多戰鬥部巡航導彈。導彈可從潛艇、艦船及飛機上發射。
其他可能的投送方式包括榴彈炮的核炮彈、核地雷（藍孔雀）、核深水炸彈、核魚雷、核迫擊炮彈。 50年代，美國研製了用於空中截擊的無控空-空火箭箭載小型核戰鬥部，裝備於F-106截擊機，但其在1960年代就基本退役，而核深水炸彈也在1990年代退役。可由兩人攜帶的小型戰術核彈也已研製成功，被一些媒體誇張為所謂的手提箱炸彈，它被稱為“特別打擊核武庫”。儘管如此，人們還在追求當量與便攜性的最佳整合，以達到最大的軍事效用。
傳統上一個國家具備戰略轟炸機、陸基核彈道導彈、彈道導彈潛艇的三棲投放方式，稱為核三位一體，目前嚴格來看只有美國、俄羅斯，中國。
