核彈頭的外觀和尺寸因類型和技術水平而異。例如，1945年投放在廣島的「小男孩」核子彈，是一種「槍式」起爆的濃縮鈾彈，外形相對瘦長，具體尺寸為長3米，直徑71厘米，重4.4噸。而「胖子」核子彈，屬於內爆式的鈈彈，外形更為圓潤，尺寸為長3.3米，直徑1.5米，重4.67噸，爆炸當量約為2.1萬噸TNT。
現代核武器的體積和技術水平有了顯著提高。例如，美國UGM-133A 「三叉戟」 II型潛射洲際彈道飛彈攜帶的W76或W88核彈頭，這些彈頭由MK-4/5 MIRV（多彈頭重返大氣層載具）承載。MIRV的外形為圓錐狀，長約1.75米，最大直徑約0.55米，重約362千克，其爆炸當量達到47.5萬噸TNT，是「胖子」核子彈的22.6倍。這表明現代核武器在保持高效能的同時，也在不斷縮小體積和技術水平上取得顯著進步。