核武器的威力主要指核武器释放的能量，一般用释放同样能量所需要的TNT炸药的质量来计量，称为“吨TNT当量”。1吨TNT当量相当于41.9亿焦。1945年，“曼哈顿计划”研制的最早一批原子弹的威力相当于2万吨TNT当量。到了1948年的“砂岩”核试验中，采用新技术的“约克”核装置就将核武器的威力翻了一番，据说达到近5万吨TNT当量。

1951年，美国人进行了“温室”核试验，他们在名为“乔治”的圆柱形核装置中央装上重氢材料，尝试用裂变反应产生的能量点燃氢核产生核聚变反应。“乔治”裂变反应放出的能量引发了重氢聚变，据说总共释放出了相当于22.5万吨TNT当量的巨大能量。

1952年11月1日，美国进行了代号为“迈克”热核爆炸试验。这是一个真正意义上的热核聚变装置，因此威力也非常恐怖，据说释放了相当于1040万吨TNT当量的能量。但是它的核聚变材料用的是氘、氚，这些材料因是极易扩散的气体，需要冷却和压缩，因此装置总重达到了65吨，不能作为武器使用。

1953年8月，苏联科学家库尔恰托夫领导的团队使用无需冷却的氘化锂作为热核材料，才解决了氢弹的体积和重量问题，成功试验了世界上第一枚真正意义上的氢弹。此后苏联在很长一段时间内都致力研究威力更大的单颗核弹。

1961年10月，一枚被称为“大伊万”的超级氢弹从一架苏联轰炸机上投下，这个大家伙创造了直到今天都没有人能打破的纪录——释放的能量超过5000万吨TNT当量。据报道，在爆炸地点，厚3米、直径为15～20千米的冰块被融化，蘑菇云高达64千米，一直延伸到平流层的顶端。如果以单颗核弹的TNT当量来算的话，“大伊万”可算是最厉害的“核弹之王”了。

但在此之后，核武器的研制发展方向发生了改变，核武器开始向着作用多样化的方向改变，不再单纯追求单颗核弹爆炸的威力，而是追求综合的杀伤效果。比如，在一个导弹弹头里装多颗威力较小的核弹头，通过合理设置爆炸参数提高综合破坏力；出现了像中子弹这样的威力不大，但有特殊毁伤作用的核武器。

此外，如果在核弹里填上大量的金属钴，爆炸后会释放出具有强大放射性的同位素钴-60。十几年内，在被大量钴-60沾染的地区，不仅人会死于放射病，植物也不能幸免，连细菌病毒都会被清理得一干二净。如果这种“钴炸弹”真被制造出来，“一百年寸草不生”的恐怖预言可能会变成现实。