通常所说的核燃料是指可在核反应堆中通过裂变产生核能的材料，它是核反应堆产生能量的源泉，可作为核燃料的易裂变物质有铀-233、铀-235和钚-239。其中铀-235是天然存在的，而铀-233和钚-239分别由钍-232和铀-238用人工方法转换而得。自然界中铀-238的储量约为铀-235的140倍，钍-232的储量是铀-235和铀-238总和的4倍左右，因此如何把铀-238和钍-232转换为易裂变物质对扩大核能资源是极为重要的。
核燃料一般是经过铀矿石开采、加工、转化和浓缩，通过加工制作成的，不同的堆型可以使用不同的核燃料，压水堆核燃料普遍采用低浓缩铀（铀-235的富集度约为3%）核燃料，也有用铀和钚的混合氧化物作为燃料，称之为MOX燃料。制作好的核燃料芯块用锆合金为包壳材料制作成燃料棒，再将燃料棒组装成燃料组件。以100万千瓦的压水堆核电站为例，堆芯一般装有150～200个燃料组件，约40000～50000根燃料棒。
重水堆和石墨气冷堆也可以使用天然铀作为核燃料发电，我国的秦山三期CANDU重水堆用的就是天然铀核燃料。