Radioaktiivisten aineiden löytyminen ja ydinfysiikan tutkimus 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä johtivat ydinfission hyödyntämiseen eri tarkoituksissa. Kun neutronit oli löydetty vuonna 1932, käytettiin niitä muodostamaan uusia keinotekoisia alkuaineita ja hajottamaan uraaniytimiä. Huomattiin, että uraanin ydinfissio tapahtuu todennäköisemmin isotoopissa uraani-235 kuin yleisimmässä isotoopissa uraani-238:ssa. Isotooppia U-235 on vain 0,7 % luonnon uraanimalmista. Fissioreaktioiden lisäämiseksi uraanimalmia täytyy rikastaa, eli lisätä isotoopin uraani-235 suhteellista määrää. Uraanin ydinfissiossa syntyy kaksi keskiraskasta ydintä, joiden massaluvut ovat suunnilleen 140 ja 90–100. Ydinfissiossa ei synny aina yhtä tiettyä tytärydinparia, vaan vaihtoehtoja on useita.

[[$ \quad ^{1}_{0}\textrm{n}+{^{235}_{92}\textrm{U }}\rightarrow \textrm{ } ^{141}_{56}\textrm{Ba}+{^{92}_{36}\textrm{Kr}}+\textrm{3 }^{1}_{0}\textrm{n} $]]​

Fissiossa syntyvät sellaiset tytärytimet, että massaluku ennen ja jälkeen reaktion on sama. Tytärytimien lisäksi fissioreaktiossa vapautuu neutroneita, usein kahdesta kolmeen kappaletta. Syntyneet neutronit voivat halkaista uusia uraaniytimiä, jolloin syntyy ketjureaktio. Tämä havaittiin ydinfysiikan laboratoriokokeissa vuonna 1939.

Ydinfysiikan kehittyessä poliittinen tilanne kärjistyi toiseksi maailmansodaksi. Ydinfissiossa vapautuvaa energiaa ryhdyttiin suunnittelemaan käytettäväksi aseena. Aseiden valtava tuhokyky koettiin toisen maailmansodan lopussa 1945, kun Yhdysvallat tuhosi Hiroshiman ja Nagasakin suurkaupungit atomipommeilla ja sai siten Japanin antautumaan. Atomipommeissa energia syntyi fissioreaktioissa. Myöhemmin rakennetuissa ydinaseissa, vetypommeissa, käytetään fission lisäksi ydinfuusiota energian vapautustapana. Toisen maailmansodan jälkeen ydinaseiden määrät lisääntyivät, kun Yhdysvallat ja Neuvostoliitto valmistivat niitä tuhansittain. Maailmanpoliittinen tilanne lisäsi ydinasevaltioita 1900-luvun jälkipuoliskolla.

Ydinvoimaa ja ydintutkimusta ryhdyttiin tekemään myös rauhanomaisiin tarkoituksiin. Hiukkasfysiikan tutkimuslaitos CERN perustettiin vuonna 1954 ja ydinvoimaa ryhdyttiin käyttämään energianlähteenä esimerkiksi sukellusveneissä tai laivoissa. Ensimmäinen ydinvoimala valmistui Neuvostoliittoon vuonna 1954. Ydinvoimaloiden rakentaminen myös kaupallistui, ja Englannissa valmistui ensimmäinen kaupallinen ydinvoimala vuonna 1956. Alla olevassa kuvassa on maailman ensimmäinen kaupallinen ydinvoimala Calder Hall, joka valmistui Englannissa vuonna 1956.

Nykyisin ydinvoimaloita on maapallolla 439 kappaletta (2022). Maailman sähköntuotannosta ne kattavat noin 10 %. Eniten ydinvoimaloita on Yhdysvalloissa, Ranskassa, Kiinassa ja Venäjällä. Ydinvoimaloita rakennetaan edelleen ja etenkin Kiinaan on suunnitteilla lukuisia uusia ydinvoimaloita. Suomessa on viisi ydinvoimalaa, kaksi reaktoria Loviisassa ja kolme Olkiluodossa. Olkiluodossa käytössä olevien kolmen voimalaitoksen teho on yhteensä noin 2 500 MW, ja Loviisassa kahden voimalaitoksen teho on reilut 500 MW.