อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ (อังกฤษ: thermonuclear weapon) เป็นอาวุธนิวเคลียร์ซึ่งใช้พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันปฐมภูมิเพื่อบีบอัดและจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันทุติยภูมิ ผลลัพธ์ทำให้อำนาจระเบิดเพิ่มขึ้นมหาศาลเมื่อเทียบกับอาวุธฟิชชันขั้นตอนเดียว เรียกภาษาปากว่า ระเบิดไฮโดรเจน หรือเอชบอมบ์ เนื่องจากระเบิดใช้ฟิวชันไอโซโทปของไฮโดรเจน จำเป็นต้องมีขั้นฟิชชันในอาวุธนี้เพื่อก่อให้เกิดฟิวชันซึ่งเกิดในอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์
สหรัฐทดสอบเทอร์โมนิวเคลียร์เต็มขั้นครั้งแรกใน ค.ศ. 1952 นับแต่นั้นมโนทัศน์ดังกล่าวมีชาตินิวเคลียร์ส่วนใหญ่ของโลกนำมาใช้ออกแบบอาวุธของตน การออกแบบสมัยใหม่ของอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ทั้งหมดในสหรัฐเรียก โครงแบบเทลเลอร์–อูลาม (Teller–Ulam configuration) ตามชื่อผู้มีส่วนสำคัญสองคน คือ เอ็ดเวิร์ด เทลเลอร์และสแตนิสลอว์ อูลาม ซึ่งพัฒนาใน ค.ศ. 1951 ให้สหรัฐ และมโนทัศน์บางอย่างถูกพัฒนาด้วยการมีส่วนของจอห์น ฟอน นอยมันน์ มีการทดสอบระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์พร้อมใช้ลูกแรก "อาร์ดีเอส-6เอส" ("โจ 4") เมื่อวันที่ 12 สิงหาคม ค.ศ. 1953 ในสหภาพโซเวียต สหราชอาณาจักร จีนและฝรั่งเศสพัฒนาอุปกรณ์คล้ายกัน
เนื่องจากอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์เป็นสัญลักษณ์การออกแบบทรงประสิทธิภาพที่สุดสำหรับผลพลังงานอาวุธในอาวุธที่มีผลเกิน 50 กิโลตัน ทำให้อาวุธนิวเคลียร์แทบทั้งหมดที่ห้ารัฐอาวุธนิวเคลียร์ใช้ภายใต้สนธิสัญญาไม่เพิ่มจำนวนอาวุธนิวเคลียร์ปัจจุบันเป็นอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ใช้การออกแบบเทลเลอร์–อูลาม
คุณลักษณะสำคัญของการออกแบบอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ครบกำหนดซึ่งเป็นความลับอย่างเป็นทางการมาเกือบสามทศวรรษ ได้แก่
กลไกการยุบเข้าในรังสีเป็นเครื่องยนต์ความร้อนซึ่งใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างความร้อนของขั้นทุติยภูมิ ช่องรังสีแวดล้อมและภายในที่ค่อนข้างเย็น ความแตกต่างของอุณหภูมินี้รักษาไว้ชั่วครู่โดยแผ่นกั้นความร้อนขนาดใหญ่เรียก "พุชเชอร์" (pusher) ซึ่งยังเป็นตัวอุดการยุบเข้าใน ซึ่งเพิ่มและยืดเวลาการบีบอัดของปฏิกิริยาทุติยภูมิ หากระเบิดทำจากยูเรเนียมซึ่งเป็นกรณีแทบทั้งหมด มันสามารถจับนิวตรอนที่ผลิตจากปฏิกิริยาฟิวชันแล้วดำเนินฟิชชันเอง ทำให้เพิ่มผลระเบิดโดยรวม ในอาวุธเทลเลอร์–อูลามจำนวนมาก ฟิชชินของพุชเชอร์ครอบงำการระเบิดและผลิตฝุ่นกัมมันตรังสี ผลิตภัณฑ์ของฟิชชันกัมมันตรังสี
