Điện được tạo ra bởi lò phản ứng hạt nhân lần đầu tiên vào ngày 3 tháng 9 năm 1948 tại Lò phản ứng Graphite X-10 ở Oak Ridge, Tennessee ở Hoa Kỳ.

Vào nửa sau thập niên 1940, trước khi ra đời quả bom hạt nhân đầu tiên của Liên Xô (thử nghiệm diễn ra ngày 29 tháng 8 năm 1949), các nhà khoa học Liên Xô đã bắt đầu xây dựng dự án đầu tiên để khai thác năng lượng hạt nhân với mục đích hòa bình, đây là những hướng đi quan trọng để giải quyết về vấn đề năng lượng đang rất hết sức cấp thiết trong tương lai.

Năm 1948, theo đề xuất của I. V. Kurchatov - người đi đầu trong lĩnh vực hạt nhân của Liên Xô - ông dẫn đầu nhóm nghiên cứu của mình bắt đầu những nghiên cứu đầu tiên về việc áp dụng thực tế năng lượng hạt nhân để thu được nguồn năng lượng điện [1].

Vào tháng 5 năm 1950 ở gần ngôi làng Obninsk thuộc tỉnh Kaluga (Liên Xô cũ) những công việc để xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được bắt đầu.

Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của thế giới công suất 5 MW đã hòa vào mạng lưới điện quốc gia ngày 27 tháng 6 năm 1954 ở Liên Xô, tại thành phố Obninsk thuộc tỉnh Kaluga. Tới năm 1958 thì lần lượt các nhà máy khác đi vào hoạt động, đầu tiên là tổ máy số 1 nhà máy điện hạt nhân Sibirskaya với công suất 100 MW, và về sau toàn bộ dự án được hoàn thành thì công suất lên tới 600 MW. Cũng trong năm đó nhà máy điện hạt nhân Beloyarskaya cũng được triển khai xây dựng, nhưng mãi tới ngày 26 tháng 4 năm 1964 thì tổ máy phát điện đầu tiên mới đi vào hoạt động. Tới tháng 8 năm 1964 thì khối 1 của nhà máy điện hạt nhân Novovoronezhskaya với công suất 210 MW mới được khởi công. Khối 2 với công suất 365 MW được khởi công vào tháng 12 năm 1969. Tiếp đến năm 1973 người ta khởi công nhà máy điện hạt nhân Leningradskaya.

Sau Liên Xô thì các nhà máy điện hạt nhân khác cũng được xây dựng, với nhà máy điện hạt nhân Calder Hall ban đầu cũng chỉ có công suất 46 MW được đưa vào vận hành ngày 27 tháng 8 năm 1956 tại Anh. Sau đó 1 năm, tại Mỹ nhà máy điện hạt nhân Beaver Valley với công suất 60 MW cũng được bắt đầu xây dựng tại Shippingport, Pennsylvania.

Năm 1979 xảy ra một sự cố nghiêm trọng tại Mỹ tại nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island. Sau sự kiện đó Hoa Kỳ đã ngừng xây dựng các lò phản ứng, trong dự kiến tới năm 2017 sẽ xây dựng xong 2 lò phản ứng mới trong khu nhà máy cũ.[2].

Vào năm 1986 xảy ra một thảm họa hạt nhân rất nghiêm trọng là sự cố nổ nhà máy điện hạt nhân Chernobyl. Ngoài những hậu quả trực tiếp như gây ô nhiễm phóng xạ các vùng lân cận, nó còn ảnh hưởng tới sự phát triển năng lượng hạt nhân. Điều này khiến toàn bộ các chuyên gia trên thế giới phải xem xét lại các vấn đề an toàn hạt nhân và suy nghĩ về sự hợp tác quốc tế với mục đích nâng cao an toàn trong khai thác, sử dụng năng lượng hạt nhân.

Ngày 15 tháng 5 năm 1989 tại cuộc họp sáng lập tổ chức tại Moskva, người ta đã thành lập Hiệp hội Thế giới các nhà vận hành nhà máy điện hạt nhân (WANO), một hiệp hội chuyên nghiệp quốc tế liên kết các tổ chức vận hành các nhà máy điện hạt nhân trên toàn thế giới. Hiệp hội đã đề ra nhiệm vụ soạn thảo và đưa ra kế hoạch phát triển, vận hành an toàn cho ngành điện hạt nhân trên toàn thế giới.

Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất tại châu Âu — Nhà máy điện hạt nhân Zaporizhskaya[3] tại thành phố Enerhodar (tỉnh Zaporizhia, Ukraina), được khởi công vào năm 1980, tới năm 1996 bắt đầu hoạt động với 6 tổ máy có tổng công suất 6 GW.

Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới — Nhà máy điện Kashiwazaki-Kariwa (vận hành từ năm 2008) tại Nhật Bản, xây dựng tại thành phố Kashiwazaki, tỉnh Niigata. Người ta đưa vào vận hành 5 lò phản ứng nước sôi (BWR) và 2 lò phản ứng nước sôi tân tiến (ABWR), tổng công suất là 8,212 GW.

Sự cố nhà máy điện hạt nhân xảy ra gần đây nhất là sự cố nhà máy điện Fukushima 1 của Nhật Bản. Sự cố xảy ra vào tháng 3 năm 2011. Sự cố nhà máy điện Fukushima 1 xảy ra dưới tác động lớn của trận động đất, trận động đất đã phá hủy cấu trúc lò, hệ thống làm mát bị gián đoạn, các thanh nhiên liệu bị nóng chảy. Sự cố trên gây tác động rất nghiêm trọng về người và của[4]. Nhất là một vùng rộng lớn bị nhiễm phóng xạ. Phóng xạ phát tán theo gió đến các vùng khác. Tại Việt Nam cũng đã đo được bụi phóng xạ tại sau vụ nổ nhà máy điện Fukushima.