Larguée à environ 13 000 mètres d'altitude, la bombe chuta sur plus de 8 000 m avant d'exploser à 11 h 32 (heure de Moscou), le 30 octobre 1961, à une altitude de 4 000 m au-dessus de la cible et 4 200 m au-dessus du niveau de la mer, lors d’un test dans l’archipel de la Nouvelle-Zemble (océan Arctique). Elle fut larguée d’un bombardier Tu-95, piloté par Andreï E. Dournovtsev. La bombe était équipée d’un système de parachutes afin de permettre au bombardier de s’éloigner à une distance de sécurité de la zone d’explosion. La détonation développa une boule de feu atteignant plus de 7 km de diamètre8. L’éclair de l’explosion fut visible à plus de 1 000 km du point d’impact et le champignon atomique en résultant parvint à une altitude de 64 km avec un diamètre de 30 à 40 km[réf. nécessaire]. Même avec leur distance, les pilotes rapportèrent que l'avion chuta d'un kilomètre au moment de l'explosion.
Au point zéro, tout était effacé, le sol avait été nivelé et faisait penser à une « patinoire »[réf. nécessaire]. Des maisons de bois furent détruites à des centaines de kilomètres, d’autres perdirent leur toit. La chaleur fut ressentie à 300 km. La Tsar Bomba pouvait infliger des brûlures au troisième degré à plus de 100 km de distance, alors que la zone de destruction complète se situait dans un rayon de 30 km, et la zone de dommages importants à un rayon de 40 km2.
La puissance de l’explosion a été estimée à 57 Mt par les États-Unis. Plus tard, les scientifiques russes ont annoncé une énergie de 50 Mt. Par comparaison, la bombe Little Boy avait une énergie de 13 à 16 kt (0,013 à 0,016 Mt) soit 3 125 fois moins énergétique (estimation basse). Les Soviétiques auraient limité l'énergie, prévue initialement à 100 Mt, afin selon les mots de Khrouchtchev, « de ne pas briser tous les miroirs de Moscou »[réf. nécessaire]. La perturbation atmosphérique produite par l'explosion a fait trois fois le tour de la Terre9.
