Ces centrales utilisent également des cycles de conversion thermodynamique : dans le réacteur nucléaire, l'énergie nucléaire obtenue à la suite de réactions de fission de l'uranium et du plutonium est la source de chaleur utilisée. Un circuit primaire refroidit le réacteur et transfert la chaleur dégagée à un générateur de vapeur (chaudière) qui produit la vapeur d'eau alimentant la turbine à vapeur (comme dans une centrale thermique conventionnelle). Les centrales nucléaires produisent environ 15% de l'électricité mondiale. Elles engendrent des déchets radioactifs, mais n'émettent pas de gaz carbonique (CO) comme les centrales conventionnelles à flamme et tout risque d'accident ne peut être exclu. La probabilité d'occurrence d'un tel accident sur les centrales modernes est sujette à débat.