Phản ứng phân hạch – còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử - là một quá trình vật lý hạt nhân và hoá học hạt nhân mà trong đó hạt nhân nguyên tử bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác. Vì thế, sự phân hạch là một dạng của sự chuyển hoá căn bản. Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt neutron, photon tồn tại dưới dạng các tia gamma, tia beta và tia alpha. Sự phân hạch của các nguyên tố nặng là một phản ứng toả nhiệt và có thể giải phóng một lượng năng lượng đáng kể dưới dạng tia gama và động năng của các hạt được giải phóng (đốt nóng vật chất tại nơi xảy ra phản ứng phân hạch).Năng lượng do phản ứng phân hạch sản sinh ra dùng trong nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Sư phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các nơtron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các nơtron tự do này. Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có thể kiểm soát được như trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân.Lượng năng lượng tự do chứa trong nhiên liệu hạt nhân lớn gấp hàng triệu lần lượng năng lượng tự do có trong một khối lượng nhiên liệu hoá học tương đương như là dầu hoả, làm cho năng lượng hạt nhân trở thành một nguồn năng lượng rất hấp dẫn, tuy nhiên, các chất thải hạt nhân thì có mức phóng xạ rất cao và tồn tại rất lâu, hàng thiên niên kỷ. Đi kèm với chất lượng rất hấp dẫn trên của các nguồn năng lượng hạt nhân là sự tích tụ chất thải hạt nhân và nguy cơ huỷ diệt rộng lớn của nó hiện là vấn đề chính trị gây nhiều tranh cãi về vũ khí hạt nhân.Phản ứng phân hạch hạt nhân là một trong hai loại phản ứng hạt nhân. Loại kia là phản ứng tổng hợp hạt nhân.