
Vũ khí nhiệt hạch (tiếng Anh: Thermonuclear weapon) là loại vũ khí hạt nhân sử dụng năng lượng từ phản ứng phân hạch chính để nén và kích thích phản ứng tổng hợp hạt nhân thứ cấp. Điều này làm tăng đáng kể sức nổ, gấp hàng chục, thậm chí hàng trăm lần so với vũ khí phân hạch một tầng (bom nguyên tử thông thường). Vũ khí nhiệt hạch còn được gọi là bom khinh khí hoặc bom H vì nó dựa trên phản ứng nhiệt hạch hydro. Các giai đoạn phân hạch trong vũ khí này là cần thiết để kích hoạt phản ứng tổng hợp trong vũ khí nhiệt hạch.
Vụ thử nghiệm vũ khí nhiệt hạch quy mô đầy đủ đầu tiên được Hoa Kỳ thực hiện vào năm 1952, và khái niệm này đã được các cường quốc hạt nhân trên toàn thế giới áp dụng để thiết kế vũ khí của họ. Thiết kế hiện đại của tất cả các loại vũ khí nhiệt hạch tại Hoa Kỳ được gọi là cấu hình Teller-Ulam, theo tên của hai người chủ chốt là Edward Teller và Stanislaw Ulam, những người đã phát triển nó vào năm 1951 cho Hoa Kỳ, với sự đóng góp của John von Neumann. Bom đầu tiên được sử dụng trong thực tế, 'RDS-6' ('Joe 4'), đã được thử nghiệm vào ngày 12 tháng 8 năm 1953 tại Liên Xô. Các thiết bị tương tự cũng đã được phát triển bởi Vương quốc Anh, Trung Quốc, Pháp và Bắc Triều Tiên.
Bom mạnh nhất trong lịch sử là bom Sa hoàng, do Liên Xô chế tạo với sức công phá tương đương 57 triệu tấn thuốc nổ TNT, và đây là một loại bom nhiệt hạch.