פצצת מימן היא פצצה גרעינית אשר בבסיס פעולתה מונחת תופעת המיזוג הגרעיני. (ראה ערך היתוך גרעיני)
מיזוג גרעיני הוא תהליך בו אטומים (במקרה זה של מימן) מתמזגים והופכים ליסוד כבד יותר (ובמקרה זה - הליום) תהליך דומה מתחולל בליבת השמש. בתהליך מיזוג זה, מסת היסוד החדש שנוצר (ההליום) קטנה מסכום המסות של האטומים המרכיבים אותו (אטומי המימן) בעוד המסה החסרה - עברה תהליך של המרה לאנרגיה לפי משוואת איינשטיין E=MC².
האנרגיה הזו, המשתחררת בתהליך היא עצומה וטומנת בחובה יכולת הרס גדולה - עוצמתה של פצצת המימן גדולה הרבה יותר משל פצצת אטום "רגילה" (המבוססת על ביקוע גרעיני ולא על מיזוג גרעיני), הערכת האנרגיה של פצצות מימן נערכת על סקלה של "מגהטון" (מגהטון אחד שווה ערך למיליון טון TNT).
תהליך כזה, של מיזוג גרעיני יכול להתחולל רק בתנאים קיצוניים של טמפרטורה ולחץ - בפצצת המימן משיגים זאת ע"י פיצוץ פצצת אטום המבוססת על ביקוע כאמצעי להתחלת תהליך המיזוג.
אנריקו פרמי, הפיסיקאי הנודע גרס כי היתוך הגרעיני (fusion) יכול לשחרר אנרגיה גדולה יותר מתהליכי ביקוע (fission).
בראש פרוייקט פיתוח הפצצה המימנית האמריקאית עמד אדוארד טלר.המכונה "אבי פצצת המימן", (כינוי שלא היה חביב עליו).
בניסוי שנערך ע"י האמריקאים באיי מרשל שבאוקיינוס השקט בנובמבר 1952, הפעילו פצצה בעוצמה של אחד מגהטון - הגדולה פי 70 מעוצמת הפצצה שהוטלה על הירושימה.
הפצצה של ברית המועצת שפותחה ב-1961 - היתה בעוצמה של 50 מגהטון (יותר מ-פי 3,000 מפצצת הירושימה !).
בצילום - פיצוץ מימן בעוצמה של 15 מגהטון בניסוי שערכה ארצות הברית בשנת 1955