原子弹或氢弹能在很短的时间内用有限的物质释放出大量的能量。结果，爆炸的瞬间中心被提升到极高类似于太阳中心的温度。裂变武器达到的最高温度是几千万度，氢弹中心最高温度上亿度，与之相比常规高爆武器最高只有5000℃。

由于核爆炸产生的巨大热量，所有的物质都转化为气态。由于气体在爆炸的瞬间被限制在核武器原始成分所占据的区域内，因此会产生巨大的压力。这些压力可能是大气压的一百万倍以上。 在核武器爆炸后不到百万分之一秒的时间内，辐射出大量能量，主要是不可见的x光，这些能量在周围大气中几米内被吸收，导致出现了一个非常热和高亮度(白炽状态)的火球，表面亮度随时间而降低，但大约一毫秒后，对于80公里外的观察者来说，百万吨级核武器产生的火球比中午的太阳还要明亮许多倍。

低空大气层核试验中，十万吨级核弹爆炸产生的亮光，在黎明的时候，640公里外可以看到天空中的眩光。不是视线直接目击，是大气散射和衍射(即光线被灰尘颗粒和大气中的水分弯曲)的结果，在1100公里外可以直接看到百万吨级核弹的高空爆炸。

核弹爆炸火球的表面温度，也就是亮度，并不会随着核武器的当量而有很大的变化。因此，不管爆炸释放的能量有多少，在空中爆炸中观察到的火球亮度大致相同。火球形成后立即开始变大，吞没了周围的空气。这种增长伴随着温度的降低，因为伴随着质量的增加。

与此同时，火球升起，像一个热气球。在爆炸后的十分之七毫秒内，百万吨级核武器的火球直径约为130米，在10秒内增加到约1750米。然后以每秒80到110米的速度上升。一分钟后，火球冷却到不再发出可见光的程度，然后它从爆点上升了大约7.2公里。