沙皇炸彈的爆炸當量本來相當於一億噸的TNT炸藥，不過蘇聯當局憂心試爆後的核子落塵對環境的嚴重影響，會導致內政難題與外交風波，因此將核彈減半為5000萬噸的爆炸威力。據悉，執行沙皇炸彈試爆任務的飛機是一架從駐科拉半島基地的Tu-95轟炸機V型，由蘇軍安德烈·杜爾諾夫柴夫少校駕駛；另外伴隨一架Tu-16獾式噴射轟炸機作為觀測機，負責將試爆的畫面以圖片與影像紀錄下來，同時將爆炸時的空氣作樣本收集。

由於“沙皇炸彈”過於龐大，所以該架Tu-95任務機必須將機體內的燃油槽與機腹炸彈艙門移除才能執行任務，其實這也就是沙皇炸彈無法服役實戰化的主要原因。而且執行任務的兩架轟炸機均塗裝含有特殊材質的白色無機反光塗料以避免試爆的高溫造成人員或任務機的損傷。另外為了試爆人員的安全考量，沙皇炸彈還特別加裝一副重達800公斤的減速傘，以延遲炸彈釋放墜落後的時間與速度（釋放後到起爆時差為188秒），也好讓任務機與觀測機能夠撤到距離原爆點45km以外的安全範圍。

據資料顯示，沙皇炸彈爆炸當時所產生的火球半徑達4600米，已超過引爆的高度，所以火球很快地就席捲了地面，並迅速擴散到投擲的高度，在將近1000公里外的地方都可看見。爆炸產生的蘑菇雲寬近40公里，高約64公里，相當於珠穆朗瑪峰海拔高度的7倍多；爆炸產生的熱風甚可以讓遠在170公里以外的人受到3級灼傷，爆炸的閃光能造成220公里以外人的眼睛劇痛與灼傷，甚至造成白內障以及失明。威力相當於480顆空投在長崎的胖子原子彈，或者是688顆在廣島市引爆的小男孩原子彈。