Bom nguyên tử hoạt động theo nguyên lý phân hủy các hạt nhân nặng - không bền như urani hay plutoni thành các hạt nhân nhẹ hơn và giải phóng năng lượng.
Quá trình nổ bom nguyên tử xảy ra theo một phản ứng dây chuyền, bắt đầu khi một neutron (hạt trung hòa điện trong hạt nhân nguyên tử) va chạm với một hạt nhân urani hoặc plutoni, làm hạt nhân này vỡ ra thành các nguyên tố bền hơn (thường là barium và krypton).
Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt, phóng xạ tia gamma và một số neutron. Các neutron này lặp lại quá trình trên cho tới khi hết nhiên liệu phản ứng. Phản ứng dây chuyền này diễn ra trong thời gian rất ngắn, cỡ một phần triệu giây.
