जिस प्रकार कई परम्परागत तापीय ऊर्जा केंद्र, जीवाश्म ईंधन के जलने से निकलने वाली ताप ऊर्जा के दोहन से बिजली उत्पन्न करते हैं, वैसे ही परमाणु ऊर्जा संयंत्र, आम तौर पर परमाणु विखंडन के माध्यम से एक परमाणु के नाभिक से निकली ऊर्जा को परिवर्तित करते हैं।

जब एक अपेक्षाकृत बड़ा विखंडनीय परमाणु नाभिक (आमतौर पर यूरेनियम 235 या प्लूटोनियम-239) एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है तो उस परमाणु का विखंडन अक्सर फलित होता है। विखंडन, परमाणु को गतिज ऊर्जा (विखंडन उत्पादों के रूप में ज्ञात) के साथ दो या दो से अधिक छोटे नाभिक में विभाजित करता है और गामा विकिरण और मुक्त न्यूट्रॉन को भी छोड़ता है। इन न्यूट्रॉनों के एक हिस्से को अन्य विखंडनीय परमाणु द्वारा बाद में अवशोषित किया जा सकता है तथा और अधिक विखंडन जन्म ले सकते हैं, जो और अधिक न्यूट्रॉन को छोड़ेंगे और इसी प्रकार आगे होता रहेगा.

इस परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए न्यूट्रॉन विष और न्यूट्रॉन मंदक का प्रयोग किया जा सकता है, जो न्यूट्रॉन के उस भाग को परिवर्तित कर देता है जो विखंडन को आगे बढ़ाता है। असुरक्षित स्थितियों का पता चलने पर, विखंडन अभिक्रिया को बंद करने के लिए, परमाणु रिएक्टरों में आमतौर पर स्वचालित और हस्तचालित प्रणाली होती है।

एक शीतलन प्रणाली, रिएक्टर के केंद्र से ताप को हटाती है और उसे संयंत्र के अन्य क्षेत्र में भेजती है, जहां तापीय ऊर्जा का दोहन बिजली उत्पादन के लिए या अन्य उपयोगी कामों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। आम तौर पर गर्म शीतलक को बॉयलर के लिए एक ताप स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा और बॉयलर की दाबावयुक्त भाप, एक या अधिक भाप टरबाइन द्वारा संचालित विद्युत जनरेटर को ऊर्जा देगा। 

रिएक्टर के कई अलग-अलग डिज़ाइन हैं, जो विभिन्न ईंधन और शीतलक का प्रयोग करते हैं और इनकी नियंत्रण विधि विभिन्न होती है। इन डिज़ाइनों में से कुछ को किसी किसी विशिष्ट जरूरत को पूरा करने के लिए परिवर्तित किया गया है। परमाणु पनडुब्बी और विशाल नौसेना जहाजों के लिए प्रयुक्त रिएक्टर, उदाहरण के लिए, ईंधन के रूप में अत्यधिक संवर्धित यूरेनियम का इस्तेमाल किया जाता है। ईंधन का यह विकल्प रिएक्टर के ऊर्जा घनत्व को बढ़ाता है और परमाणु ईंधन लोड के प्रयोग किए जाने की अवधि को लंबा करता है, लेकिन अन्य परमाणु ईंधनों की तुलना में यह अधिक महंगा है और इससे परमाणु प्रसार का अधिक खतरा है।

परमाणु ऊर्जा उत्पादन के लिए ढेरों नए डिज़ाइन सक्रिय अनुसंधान के अधीन हैं, जिन्हें सामूहिक रूप से चतुर्थ पीढ़ी रिएक्टर कहा जाता है और भविष्य में व्यावहारिक ऊर्जा उत्पादन के लिए इनका इस्तेमाल किया जा सकता है। इनमें से कई नए डिज़ाइन, विखंडन रिएक्टरों को विशेष रूप से स्वच्छ, सुरक्षित और/या एक परमाणु हथियारों के प्रसार के खतरे को कम करने का प्रयास करते हैं। निष्क्रिय रूप से सुरक्षित संयंत्र (जैसे ESBWR) बनाए जाने के लिए उपलब्ध हैं और अन्य डिज़ाइन जिनके भूल-रक्षित होने का विश्वास है उन पर काम आगे बढ़ाया जा रहा है। संलयन रिएक्टर, जो भविष्य में व्यवहार्य हो सकते हैं, परमाणु विखंडन के साथ जुड़े कई जोखिमों को कम या समाप्त कर देंगे। 

परमाणु रिएक्टर प्रौद्योगिकी
परमाणु ऊर्जा संयंत्रों का लचीलापन
प्रयोग
पुनर्संसाधन