核裂變能通過鏈式反應釋放。核裂變，又稱核分裂，是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。原子彈或核能發電廠的能量來源就是核裂變。其中鈾裂變在核電廠最常見，當熱中子轟擊鈾-235 原子后，一個鈾核吸收了一個中子可以分裂成兩個較輕的原子核，在這個過程中質量發生虧損，因而放出很大的能量，并產生兩個或三個新的中子，新中子再去撞擊其它鈾-235 原子，從而形成鏈式反應。
核電為受控的裂變能。鏈式裂變反應釋放的核能可以進行人為控制，通過在鈾的周圍放一些強烈吸收中子的“中子毒物”(硼、銀、銦、鎘等)，使一部分中子還沒有被鈾核吸收引起裂變時，就先被“中子毒物”吸收，這樣就可以控制中子的產生速度，使得核能緩慢地釋放出來。核電站就是通過插入和提出中子吸收控制棒實現對核反應堆中核能釋放速度的控制。
核電站通過核能→熱能→機械能→電能的能量轉換路徑實現發電。核能發電基本原理是核裂變產生能量加熱水生成蒸汽，將核能轉變成熱能；蒸汽壓力推動汽輪機旋轉，熱能轉變為機械能；然后汽輪機帶動發電機旋轉發電，將機械能轉變成電能。以當前的主流壓水堆核電站為例，其能量轉換借助于三個回路來實現。在一回路中，反應堆冷卻劑（通常為水）在主泵的驅動下進入反應堆，流經堆芯后帶走核燃料裂變產能的能量，進入蒸汽發生器將熱量傳遞給二回路的水，然后再流回到主泵，循環往復；在二回路中，二回路水通過熱交換被一回路的水加熱生成蒸汽，蒸汽再去驅動汽輪機，帶動與汽輪機同軸的發電機發電，做功后的剩余蒸汽再經三回路冷卻為液態水后，再次進入蒸汽發生器循環；在三回路中，三回路冷卻水通過凝汽器冷卻二回路做功后的蒸汽，帶走剩余的棄熱。
商用核電反應堆根據反應堆冷卻劑/慢化劑和中子能分類。按照冷卻劑/慢化劑的不同，反應堆一般可分為輕水堆（包括壓水堆和沸水堆等）、重水堆及氣冷堆。按照所用的中子能量，反應堆一般可分為慢（熱）中子堆或者快中子堆。
壓水堆是目前世界上最普遍的商用堆型。目前世界上核電站采用的反應堆有壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆、石墨水冷堆以及快中子增殖堆等，但比較廣泛使用的是壓水堆。壓水堆以普通水作冷卻劑和慢化劑，是目前世界上最普遍的商用堆型。
