主條目：氫彈

兩種核分裂起爆方式

核融合核武透過核聚變釋放能量。輕核子如氫或氦結合成較重的元素，同時釋放大量的能量。使用核融合過程的武器亦常被稱為氫彈，因為氫是核融合的常用材料。核融合核武有時亦稱熱核武器，因為它們的連鎖反應需要更高的溫度啟動。

一般的氫彈會先引爆作為前級的核分裂彈，造成足夠的溫度及壓力，之後的後級核融合才會開始。後級可以無限製地連鎖起來，製成比普通核分裂強力很多的核武。

隻有美、俄、英、中、法五國擁有使用與生產氫彈的能力。印度在1998年5月進行的核試驗中試爆了帶熱核裝置的核彈，可能擁有氫彈或已經研製成功了氫彈。

主條目：中子彈

中子彈是小型的熱核武器。武器內的X射線反射鏡及彈殼以鉻或鎳製成，讓核融合中產生的中子離開彈體。高能量的中子流比其他放射更具穿透能力。一般能阻隔伽傌射線的物料通常不足以抵擋中子流。因為隻有水和才能吸收中子，而生物中含大量水份，所以中子流對生物產生的傷害比伽傌射線更大。原先製造中子彈的目的，是希望可以殺人而不毀物（被戲稱為「業主炸彈」或「房貸積欠款炸彈」：能殺死屋內的人，但房子無損）。中子彈所產生的熱能及衝擊波被故意減低，而中子流則被加強。但事實上中子彈的熱及火仍然會對建築物造成嚴重的損毀。所謂「殺人不毀物」隻是相對其他熱核武器。中子彈所加強的放射，隻限於引爆的一刻，與感生放射核彈的長期放射有所不同。

MK15核子彈

它是一種小型氫彈，采用了慢化吸收技術，減少中子活化，削弱其爆炸後的作用，部隊可以迅速進入爆炸區投入戰鬥，是一種戰術核彈。

原理類似一座無防護層的裂變反應堆，所以不會發生一般意義上的爆炸，隻放出大量伽瑪射線；盡管各種效應不大，也不會使人立刻死去，雖然能造成持久的，但不一定會汙染土地，能有效迫使敵人離開。