Конструкция заряда РДС-1 основывалась на американском проекте бомбы "Толстяк".17 Однако уже за год до августа 1949 г., одновременно с работой над РДС-1, в Арзамасе-16 были начаты работы над более совершенными конструкциями ядерных зарядов. Усилия разработчиков были направлены на повышение экономичности (уменьшение расхода делящихся материалов) и мощности зарядов, снижение их габаритов и массы. Боеприпас полностью отечественной конструкции — РДС-2 — был испытан 24 сентября 1951 г. Усовершенствование фокусирующей системы позволило удвоить мощность устройства по сравнению с РДС-1 при заметном снижении его габаритов и массы. Менее чем через месяц (18 октября 1951 г.) был впервые отработан сброс ядерной авиабомбы с самолета. Испытанный заряд—РДС-3, мощность которого составила 41.2 кт, основывался на композитной уран-плутониевой конструкции. После доработки этот боеприпас под обозначением РДС-ЗТ стал первой серийной советской атомной бомбой, поступившей на вооружение Авиации дальнего действия L6C в 1953 г.
23 августа 1953 г. было проведено испытание заряда РДС-4 (также известного под именем "Татьяна"). Габариты и вес заряда были уменьшены по сравнению с РДС-3 соответственно на одну треть и в три раза. Первая атомная авиабомба фронтовой авиации на основе РДС-4, имевшая мощность 30 кт, была принята на вооружение в 1954 г. Впоследствии новый заряд также поступил на вооружение стратегических ракетных комплексов.
Еще один шаг в усовершенствовании ядерных зарядов был сделан в 1952 г., когда в КБ-11 был разработан внешний импульсный нейтронный источник.22 Новая конструкция позволила избежать необходимости частых замен размещавшихся в центральной части заряда нейтронных инициаторов на основе полония-210 и бериллия, применявшихся в первых зарядах. Более оптимальное время инициирования цепной реакции позволило повысить удельную мощность заряда в 1.5-1.7 раза. Заряд РДС-ЗИ, представлявший собой РДС-3 с внешним нейтронным инициированием, был испытан 23 октября 1953 г. Мощность взрыва составила 62 кт.
В 1955 г. на вновь созданном ядерном полигоне ВМФ на Новой Земле было испытано малогабаритное устройство РДС-9 мощностью 5 кт, принятое впоследствии на вооружение ВМФ в составе торпеды Т-5.23 В 1956 г. была завершена разработка зарядов для артиллерийских снарядов.24 Работы в рамках принятой в 1954 г. программы развития тактического ядерного оружия позволили в конце 50-х —начале 60-х годов оснастить ядерными боеприпасами оперативнотактические ракетные комплексы наземного базирования, комплексы ПВО, крылатые ракеты, и другие тактические системы оружия.