El principio de funcionamiento de la bomba atómica no es distinto del aplicado en los reactores de las centrales electronucleares. Pero en la bomba, la ingente producción de energía-calor se utiliza para obtener una enorme onda de choque y el consecuente efecto destructivo. A este se añaden los daños debidos a la radiactividad, que duran mucho tiempo en los supervivientes. En forma peculiar, en cada reacción de fisión se producen dos o tres neutrones. Estos pueden chocar con otros átomos fisionables para preservar y expandir el proceso. Si se coloca suficiente material fisionable, o masa crítica en un volumen suficientemente pequeño puede iniciarse una reacción en cadena explosiva. En caso de que haya pocos átomos fisionables presentes, la mayoría de los neutrones escapa y no se efectúa la reacción en cadena de fisión.
Un tipo de bomba atómica contiene dos porciones suberíticas de material fisionable, como ser cantidades calculadas de uranio (o plutonio) para alcanzar la llamada masa crítica, esto es, una masa para la cual se establece una reacción en cadena. Se pretende que la reacción sea incontrolable, liberando una enorme cantidad de energía y fortísimas dosis de radiactividad (partículas penetrantes y rayos gamma, las ondas electromagnéticas mas energéticas). Se hace que una porción penetre violentamente en la otra para formar una masa supercrítica mediante la explosión previa de una carga de un explosivo tradicional como el trinitrotolueno (TNT). Como resultado se produce una explosión de fisión nuclear. Se liberan cantidades considerables de energía calorífica y diversos radionuclidos cuyos efectos son devastadores para la vida y el medio. El polvo y los desperdicios radiactivos se llaman lluvia radiactiva.
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