Az atomenergiát (pontosabban nukleáris energiát) az 1960-as évek óta használják villamos energia termelésére. A hagyományos atomreaktorok hűtő- és hőátadó közegként vizet használtak. A leggyakrabban használt reaktortípusok a forralóvizes, nyomottvizes és nehézvizes reaktorok, amelyekben a 235-ös tömegszámú uránizotóp lassú neutronokkal történő hasítása szolgáltatja az energiát. A víz hátránya, hogy alacsony a forráspontja, ezért a hatékonyság növeléséhez növelni kell a nyomást. Az atomerőművek beruházási költsége óriási, és megépítsük időszükséglete rendkívül hosszú, ezért az utóbbi néhány évtizedben csak kevés új atomerőmű létesült. Még ennél is kritikusabb probléma, hogy a Föld ismert uránérckészleteit 5,5 millió tonnára becsülik, ami a jelenlegi évi 60 ezer tonnás felhasználással számolva kevesebb, mint 100 évre elegendő. Az atomerőművek elterjedését a nukleáris balesetek is hátráltatták. A legelső nagyobb nyilvánosságot kapott nukleáris baleset az amerikai Three Mile Island-i atomerőműben történt, az 1986-os csernobili katasztrófát követően pedig az új atomerőművek építése az egész világon leállt. 2010-ben Fukusimában a cunami következményeként történt sugárszennyezéssel járó reaktorrobbanás. A balesetek tapasztalatait is felhasználva ma már csak 3+ generációs, korszerű, nagy teljesítményű (>1 GW) reaktorokat építenek, rendkívül korlátozott gyártási kapacitással. Ma a világ több mint 30 országában 436 reaktorblokk működik, összesen 380 GW villamosenergia-termelő kapacitással. Az atomerőművek által termelt villamos energia napjainkban 13%-át adja a világ áramtermelésének. Az 50‒60 éves élettartamra tervezett reaktorblokkok hatásfoka 33‒37%, rendelkezésre állásuk több mint 90%-os. Hátrányuk, hogy kimenő teljesítményüket nem lehet túlságosan gyorsan szabályozni. Az összes energiatermelési mód közül az atomerőművek energetikai hasznosítási tényezője az egyik legmagasabb, 75 körüli érték, azaz egy atomerőmű teljes élettartama alatt 75-szörösét termeli meg a megépítéséhez, működtetéséhez és leszereléséhez felhasznált összes energiának.