Còn được gọi là sự phân hạch hạt nhân, việc tách một nguyên tử dẫn đến khối lượng tổng thể của nó bị giảm đi, giải phóng một lượng năng lượng tương đối lớn. Hầu như mọi nguyên tử đều có thể tạo ra năng lượng hạt nhân theo cách này, nhưng những vật có khối lượng nguyên tử lớn nhất sẽ cung cấp nhiều năng lượng nhất từ quá trình phân hạch.
Các lò phản ứng hạt nhân dựa vào sự phân hạch để tạo ra nhiệt, sau đó làm cho các bể làm mát sôi lên, tạo ra các tuabin hơi nước. Trong những trường hợp khác, quá trình phân hạch đột ngột và bạo lực dẫn đến các vụ nổ hạt nhân có thể tàn phá các khu vực địa lý khổng lồ. Bản thân quá trình này có hiệu quả đáng kể, nhưng đòi hỏi một khoản đầu tư lớn về năng lượng ban đầu để tạo ra. Trái ngược với sự phân hạch, quá trình nhiệt hạch mà hai nguyên tử liên kết với nhau tạo ra năng lượng nhiều gấp vài lần, nhưng không gây nguy cơ nhiễm xạ hoặc ô nhiễm hạt nhân. Ngoài ra, các thanh nhiên liệu đồng vị đã qua sử dụng vẫn nguy hiểm trong nhiều nghìn năm trong khi các vật liệu tiêu thụ trong quá trình nhiệt hạch vẫn an toàn để xử lý và vận chuyển. Quá trình nhiệt hạch phổ biến nhất, quá trình chuyển hóa hydro và oxy thành nước, thường được đề cập đến dễ dàng nhất và thường xuyên nhất. Hai yếu tố này không chỉ phong phú nhất mà còn tham gia dễ dàng hơn các yếu tố khác.
