Phản ứng dây chuyền hạt nhân hay phản ứng chuỗi hạt nhân xảy ra khi một phản ứng hạt nhân đơn lẻ gây ra trung bình một hoặc nhiều phản ứng hạt nhân tiếp theo, do đó dẫn đến khả năng xảy ra một loạt các phản ứng tự lan truyền của các phản ứng này. Phản ứng hạt nhân cụ thể có thể là sự phân hạch của các đồng vị nặng (ví dụ, uranium-235, 235U). Phản ứng dây chuyền hạt nhân giải phóng năng lượng gấp vài triệu lần cho mỗi phản ứng so với bất kỳ phản ứng hóa học nào.