Il nome completo della centrale elettrica nucleare è “Centrale nucleotermoelettrica” e questo fornisce già delle indicazioni sulle sue modalità di funzionamento.
Come nelle centrali termoelettriche convenzionali alimentate a combustibili fossili (carbone, olio combustibile, metano) c'è una turbina a vapore che trascina un alternatore. La differenza, in questo caso, è a monte, più precisamente nel modo in cui si ottiene il vapore ad alta temperatura e pressione da inviare in turbina.

Nel caso della centrale nucleare il vapore non viene ottenuto scaldando l'acqua con la fiamma ottenuta da una reazione chimica di combustione ma usando l'energia liberata da una reazione nucleare di fissione, in cui un nucleo di uranio assorbe un neutrone e si spacca in due frammenti più leggeri, detti appunto “prodotti di fissione”. Anche se si parla di “combustibile nucleare” in realtà non c'è niente che bruci nel senso convenzionale.
Il materiale che contiene uranio è racchiuso in tubi di leghe metalliche immersi in acqua; l'insieme dei tubi più acqua, che costituisce il reattore nucleare, è a sua volta contenuto in un grande recipiente in acciaio molto robusto. Per effetto delle reazioni di fissione i tubi aumentano di temperatura, scaldano l'acqua e producono il vapore che viene inviato alla turbina, ricondensato all'uscita della turbina stessa e rinviato nel contenitore. Quindi il reattore funziona da “caldaia nucleare”.

Limitandoci a considerare le centrali con reattori ad acqua normale che sono le più diffuse in Occidente, vale la pena di notare che, storicamente, ci sono state due realizzazioni principali del sistema di vaporizzazione. Negli impianti come quello di Caorso, indicati con la sigla BWR, ossia Boiling Water Reactor (reattore ad acqua bollente) il vapore si forma direttamente nel contenitore del reattore e va subito nella turbina. Invece negli impianti indicati con la sigla PWR ossia Pressurized Water Reactor (reattore ad acqua pressurizzata), che sono la maggioranza e sono adottati in Francia, l'acqua non bolle direttamente nel contenitore del reattore. Il vapore viene infatti prodotto in uno scambiatore intermedio fra il contenitore e la turbina: questa configurazione ha il vantaggio di assicurare che il vapore che arriva in turbina non è mai stato direttamente a contatto con i tubi che contengono il combustibile nucleare, e quindi non può contenere prodotti di fissione (radioattivi) sfuggiti dai tubi stessi.

Infine possiamo ricordare che l'efficienza delle centrali nucleari è minore di quella delle termoelettriche convenzionali (circa il 30% rispetto a circa il 40%) perché il vapore ha caratteristiche termodinamiche inferiori. Il vantaggio fondamentale della centrale nucleare è la quantità estremamente ridotta di combustibile. Grosso modo una centrale termoelettrica convenzionale da 1000 Megawatt di potenza elettrica usa tra 1.5 e 2 milioni di tonnellate di combustibile in un anno, mentre una nucleotermoelettrica di pari potenza ne usa circa 30 tonnellate.