B53核炸弹重8850磅（约4014千克），爆炸当量为900万吨。该型核炸弹生产于1962年至1965年间，并于1997年退役。该型核弹已被B61 Mod 11型核弹所取代
B61热核武器重715磅（约324千克），于1968年首次投入使用，其目前仍然是美国核武库中的主力核炸弹。美国已经设计出了多个型号的B61，其中有9个型号已经投入生产。该型热核武器的爆炸当量在300吨至34万吨之间。用于摧毁掩体的Mod 11型（B61-11）于1997年投入使用，而Mod 12型目前还在研发，并装有GPS导航系统。B-52H挂载的最终型号是B61-7，其于1985年首次投入使用。
在战略空军司令部举行的一次作战武器挂载比赛中，武器专家正在使这个装有4枚B61核炸弹的PWU-9挂架处于准备就绪的状态，以便将其安装到B-52轰炸机上。B61核炸弹于1968年首次投入使用，安装有可调当量的热核战斗部。B-52可在弹舱内挂载8枚B61型核炸弹，其中B61-7版本是“同温层堡垒”挂载的这款自由落体核炸弹的最终型号
B83热核武器重2400磅（约1069千克），于1983年投入使用，其爆炸当量为120万吨。由于B53核炸弹的退役，使B83成了目前美军武器库中威力最强大的核弹。
B-52G和B-52H只能挂载两枚B53核弹，而在弹舱中安装一对武器“夹子”后（这种武器“夹子”四个一组，一对共八个），则可以挂载多达8枚B28、B61或B83核炸弹。当令82架B-52H轰炸机具备了安装一台“通用战略旋转发射架”的能力之后，其内部载荷变成了4枚B28核弹或8枚B61/B83核弹。通用战略旋转发射架的研发工作始于1988年，尽管从物理性能上来看，其具备混合挂载武器载荷的能力，但可以确认，该型发射架一次只能挂载一种武器。
空射导弹
AGM-28“大猎犬”导弹重10147磅（约4603千克），是一种超音速导弹，用于摧毁防御严密的地面目标。该导弹最初由B-52C轰炸机携带，B-52C可以在每侧机翼下挂载一枚“大猎犬”。W28可调当量热核弹头的爆炸威力可以预设，在7万吨至145万吨之间。“大猎犬”导弹由一台普拉特•惠特尼公司研制的J52涡轮喷气发动机提供动力，最大射程为785英里（约1263千米），可以从防区外距离上发射。这种导弹的涡喷发动机还可以在B-52起飞时为其提供额外的推力；而且，如果要使用导弹上的发动机的话，则将在飞行过程中从轰炸机的油箱中为导弹加油。AGM-28A导弹由北美航空公司研发，其最初被称为GAM-77，于1960年7月由战略空军司令部投入使用。AGM-28B导弹于1961年5月首次进行测试，新导弹对制导系统进行了改进，射程更远。“大猎犬”导弹于1975年6月30日被解除战备警戒状态，最后一批“大猎犬”导弹于1978年从库存中移出。
挂载在“同温层堡垒”翼下挂架上的AGM-28“大猎犬”导弹，用于摧毁防御严密的目标。该导弹由喷气发动机提供动力，射程近800英里（约1287千米），并搭载有热核弹头。该导弹首次部署在B-52C轰炸机上，一直服役到1978年
AGM-48“天空闪电”导弹最初被称为GAM-87A，这是一种空射弹道导弹，它是为B-52H设计的，并由该机挂载，可以在苏联防空火力圈的杀伤范围外发射。在B-52H轰炸机的每侧机翼下，都可挂载2枚“天空闪电”。这种11000磅（约4990千克）重的导弹是由道格拉斯飞机公司生产的，由通用航空喷气公司研制的两级固体燃料火箭发动机提供动力，并搭载有一枚当量为100万吨的W59热核弹头。“天空闪电”导弹的研发工作始于1959年5月，不过该项目于1962年12月被取消。
尽管从未投入作战服役，但携带核战斗部的GAM-87A/AGM-48“天空闪电”空射弹道导弹的设计目的是使B-52H能够在苏联地对空导弹的杀伤范围外发射武器。“天空闪电”空射弹道导弹可搭载当量为100万吨的热核弹头，射程超过300英里（约483千米）
由波音公司研发的AGM-69A短程攻击导弹（SRAM）于1972年8月入役，该导弹搭载有一枚W69热核弹头，爆炸当量在1.7万吨至21万吨之间。AGM-69A短程攻击导弹重2222磅（约1008千克），由洛克希德公司研制的SR75-LP-1两级固体燃料火箭发动机提供动力，最大射程为126英里（约204千米）。B-52G和B-52H一次最多可以挂载20枚这种导弹，其中在弹舱里的旋转发射架上可挂载8枚，另外两侧的机翼挂架上各能挂6枚。当B-52在其弹舱中用旋转发射架挂载多达8枚短程攻击导弹的同时，还可以用那种“武器夹子”挂载4枚B61核炸弹。在被AGM-86B空射巡航导弹取代后，AGM-69A短程攻击导弹于1993年退役。目前来看，AGM-69A短程攻击导弹是在“同温层堡垒”上部署时间最长的武器系统。
AGM-86B空射巡航导弹的全面研发工作始于1977年1月，在1986年10月生产结束时，波音公司共交付了1715枚该型导弹。AGM-86B空射巡航导弹是在尺寸较小的AGM-86A导弹的基础上研制出来的，重3100磅（约1406千克），配备有一枚可调当量的W80-1核战斗部，并使用地形轮廓匹配制导系统导航，以飞抵预定目标。1982年12月，空射巡航导弹首次在驻纽约州格里菲斯空军基地的第416轰炸联队开始服役。与AGM-69A短程攻击导弹一样，B-52G和B-52H也可以挂载多达20枚AGM-86B，其中旋转发射架上挂载8枚，每侧机翼下挂载6枚。AGM-86B空射巡航导弹的弹翼、弹尾控制翼面和发动机进气口可以收起以方便运输，并在发射后展开。导弹由威廉姆斯国际公司研制的F107-WR-100涡扇发动机提供动力，其射程超过1500英里（约2414千米）。