Poput svih konvencionalnih termalnih izvora energije, na način da se apsorbuje termalna energija sagorijevanjem fosilnih goriva i nuklearne elektrane pomoću fisije, nuklearni reaktori prevode energiju oslobođenu iz nukleusa atoma. Cijepanje atoma nastaje kada relativno velika jezgra atoma (obično uranium-135 ili plutonium-139) apsorbuje neutron. Pri tome se atom cijepa na dva ili više manjih jezgara koji imaju kinetičku energiju (poznatu kao produkt cijepanja), gamma zračenje i slobodne neutrone. Nastale neutrone kasnije mogu apsorbovati drugi cijepani atomi koji stvaraju jezgre i otpuštaju neurone i itd. Ovakav lanac nuklearne reakcije može biti kontroliran upotrebom neutronskih moderatora koji mijenjaju naboj neutrona i dovode ponovo do cijepanja. Nuklearni reaktori imaju automatski i manuelni mehanizam isključenja nuklearne reakcije, ukoliko se pojavi bilo kakva sigurnosna prijetnja. Sistem hlađenja odvodi toplotu od jezgre reaktora u drugi dio postrojenja gdje započinje proces pretvaranja u električnu energiju ili se koristi u neku drugu svrhu. Rashladno sredstvo se koristi kao izvor toplote u bojleru, a para pod pritiskom pokreće jednu ili više turbina koje onda proizvode električnu energiju. Modeli reaktora  su različiti ovisno o vrsti goriva i rashladnog sredstva kojeg koriste, kao i kontrolnih mehanizama. Neki su specifični po dizajnu u ovisnosti od namjene. Reaktori vojnih podmornica i brodova, npr. koriste obogaćeni uranium kao pogonsko gorivo. Ovakav izbor goriva povećava snagu i vijek trajanja reaktora, ali je s druge strane mnogo skuplji i rizičniji u poređenju s drugim gorivima. U središtu istraživanja nalaze se reaktori IV generacije za koje se predviđa da bi mogli biti upotrebljivi u budućnosti. Suština ovakvih reaktora je u nastojanju da se proces fisije učini „čišćim“, sigurnijim i/ili manje rizičnim za proliferaciju nuklearnog naoružanja. Pasivne elektrane se mogu izgraditi i po drugim realno izvodljivim modelima. Fuzijski reaktori koji su u budućnosti vrlo izvjesni, trebaju smanjiti mnoge rizike koji su prateća pojava nuklearnog cijepanja.