原子彈爆炸時，會有大量的電磁波輻射爆發，分布在可見光波段，紅外和紫外波段上。主要的傷害機制是造成燒傷及對肉眼的傷害。在晴朗的天氣下，作用範圍可超過衝擊波。輻射光的能量非常強，它可以將被它照射到的地方全部燒毀。
由於熱輻射線是以直線傳播的，所以任何不透明的物體都可以阻止其傳播。當熱輻射線作用於一個物體時，一部分能量會被反射，一部分被傳導和轉化掉，而剩下的會被吸收。吸收的比率取決於物體的特性和顏色。一個薄片狀的物體可以將大部分的能量傳導掉，同時淺顏色的物體可以反射許多輻射，它們受到的傷害都會小一些。對輻射線的吸收造成溫度在表面的迅速升高，例如木材、紙張、織物等都會被點燃和烤焦。如果恰好這種物質是不良導體，那麼加熱現象只會在表面產生。在近距離上，所有的物質都會被加熱蒸發，而在最遠的距離上，只有最容易點燃和最脆弱的物質才會受到傷害。
例如在廣島和平紀念館展出的一塊石頭，這塊石頭原本是住友銀行廣島分行的一個石階。這塊石頭上，就有一個人的影子。由於當時住友銀行廣島分行距離爆心只有260米。原子彈爆炸時，熱輻射線就將坐在石階上的人瞬間氣化掉。而影子的形成，是因為這個人阻擋了部分熱輻射線，因此灼燒程度輕微一點。而沒被她阻擋的地方，則被熱輻射線燒焦。
在廣島，當時原子彈爆炸時，瞬間有約7萬人當場被氣化掉。因此後來美軍派到廣島的科學家和觀察員，在爆心附近的橋梁，地面等地方，都發現了許多人的腳印，影子等痕跡。
上面這張圖，來自廣島。原子彈爆炸時產生的熱輻射線，將罐體表面的油漆燒焦，而被閥門阻擋的部分，沒有被燒焦，因此留下了閥門的影子(人體沒有金屬耐燒，因此熱輻射線會將人體氣化只留下影子)。
上面這張圖，來自長崎。它記錄了長崎空襲觀察員臨死前最後一刻：這名觀察員從梯子上爬下來，正當他把腰帶掛到旁邊的牆壁時，原子彈爆炸了。