第四代核武器追求更高效，没有或减少放射性污染，可以视作“常规武器”看待，因此可以逃避国际公约的制约。
1．神速的粒子束武器
粒子束武器是利用高能强流粒子加速器，将注入的电子、质子或离子加速到光速，使其具有极大的动能，并通过磁场将其聚集成密集的高能束流，直接（或去掉电荷后）打向目标，可以在极短时间内将目标摧毁或杀伤。
粒子束武器可分为带电粒子束和中性粒子束武器。粒子束武器发射速度快，接近光速，为常规弹丸速度的20万倍；杀伤本领大；容易按照要求改变方向。
粒子束武器目前尚处于原理研究阶段。
2．奇妙的同质异能素武器
同质异能素是质量数和原子序数相同，但处于不同核能量态的核素（如178Hfm2和178Hf）。处于亚稳态的原子（如178Hfm2）退激到基态（178Hf）会释放出巨大能量。它所释放出的能量大约是普通炸药的100万倍。
科学家们设想利用同质异能素制造同质异能素武器。许多同质异能素是以γ衰变形式退激到基态，也就是以电磁波形式释放能量，所以可以制造成功很强的γ-激光武器，无剩余放射性。同质异能素武器是新型核武器，但现在还只是在理论研究阶段，离实现还较远。
3．“不可思议”的反物质武器
反物质是由反粒子所组成的物质。大家知道，电子带负电，质子带正电。实际上，还存在着带正电的电子（称为反电子），带负电的质子（称为反质子）。原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成的。如果由带负电的原子核和带正电的电子组成的原子就是反原子。有反原子就可以组成反物质。正物质与反物质相遇，会爆炸成光辐射（称为“湮没”），将它们的全部质量转化成能量释放出来，按照爱因斯坦质量能量转换公式，可以计算出所释放的能量来。一个正电子与一个负电子湮没转换为1.02×106电子伏能量的γ射线，它比氘氚聚变能大266倍，比铀-235裂变释放能量大1000倍。所以科学家们设想用它来制造反物质武器。这种武器不仅威力大，还没有临界质量的限制，不产生放射性污染的危害。虽然英国剑桥大学教授保罗·狄拉克在1928年就预言了反粒子的存在，1932年美国科学家卡尔·安德森发现了第一个反粒子——正电子，至今已发现了许许多多的反粒子。但是，反物质的制备非常困难，反物质的保存也非常困难。世界上，氢原子的构造最简单，它只有一个质子和一个电子，反氢原子只需要一个反质子和一个反电子，所以人们首先从制造反氢原子做起。瑞士的欧洲核子研究中心在2002年9月18日宣布，已制造出了约5万个反氢原子。诚然，要制造较多的反物质并且要成功制出反物质武器还有很远的旅程。
4．在实验室里进行核试验
看了前面介绍，原子弹、氢弹和中子弹的构造原理都很简单，但是，真要制造出能够实用的核武器，可不是一件容易的事。这是十足的高科技和系统工程，必须有强大的工业基础和经济实力做后盾，要经过无数的计算和实验。
1996年9月，联合国大会通过了《全面禁止核试验条约》，但是，实际上核武器的试验并没有止息。为了保持或扩大核威慑力量，为了发展“实战化”的核武器，需要核武器小型化，需要开发新型核武器，需要保证核武库中的核武器的安全性、可靠性和有效性。现在，核武器专家们在实验室里进行核实验，这有两大类方法：
一是用超级计算机做核爆过程的三维模拟试验，进行“虚拟核实验”，又称核仿真模拟试验。
二是做次临界试验，采用脉冲反应堆、大型粒子加速器和强脉冲激光器等做试验，研究核爆炸的物理过程和核爆炸效应，这是“干净而又平静”的核试验。
美国从1997年以来在地下290米深的平洞中已进行了20多次次临界试验，以研究开发新型核武器和保证核武库中核武器的安全性和可靠性。