Nhiên liệu hạt nhân là chất được sử dụng trong các nhà máy năng lượng hạt nhân để tạo ra nhiệt cung cấp cho các tua bin. Nhiệt lượng được tạo thành khi nhiên liệu hạt nhân trải qua phản ứng phân hạch.Hầu hết nhiên liệu hạt nhân đều chứa các nguyên tố nặng có khả năng xảy ra quá trình phản ứng phân hạch ví dụ như urani-235 hoặc plutoni-239. Khi các hạt nhân không ổn định của những nguyên tố này va chạm nhau bởi sự chuyển động chậm của nơtron, rồi phân chia tạo thành hai hạt nhân con và hai hoặc nhiều hơn ba neutron. Sau đó những nơtron này tiếp tục phân chia ra nhiều hạt nhân. Điều này giúp duy trì phản ứng dây chuyền được kiểm soát trong lò phản ứng hạt nhân hoặc không bị hạn chế trong vũ khí hạt nhân.Quá trình này bao gồm sự khai khoáng, tinh luyện, tinh chế, sử dụng, sắp đặt nhiên liệu hạt nhân được biết với tên gọi chung là chu trình nhiên liệu hạt nhân.Không phải tất cả loại nhiên liệu hạt nhân đều tạo ra năng lượng từ phản ứng phân hạch; plutoni-238 và một vài nguyên tố khác thường được sử dụng để sản xuất một ít năng lượng hạt nhân bởi vì sự phân rã phóng xạ của nó trong máy phát điện đồng vị phóng xạ và trong các dạng khác của pin nguyên tử.Nhiên liệu hạt nhân có mật độ năng lượng cao nhất trong tất cả các nguồn nhiên liệu thực tiễn.