Ydinreaktio on prosessi, jossa atomiydin muuntuu toiseksi törmätessään yhteen toisen ytimen tai alkeishiukkasen kanssa. Mikäli törmäyksessä ei tapahdu muutoksia ytimessä, ei kyseessä ole ydinreaktio vaan elastinen sironta. Jos taas ydin hajoaa spontaanisti ilman törmäystä, on kyseessä radioaktiivinen hajoaminen. Tunnetuimpia esimerkkejä ydinreaktioista ovat fissio ja fuusio. Muunlaisia ydinreaktioita hyödynnetään ydinfysiikan tutkimuksessa, ja niitä tapahtuu myös luonnossa, esimerkiksi kosmisten säteiden osuessa ilmakehään.
Fissiossa ydin hajoaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi ytimeksi joko spontaanisti tai absorboituaan törmäävän hiukkasen, esimerkiksi neutronin.

Fuusiossa kaksi ydintä yhdistyy yhdeksi raskaammaksi vapauttaen energiaa ja pienempiä hiukkasia.
Spallaatio on ydinreaktio, jossa ytimeen osuva suurienergiainen hiukkanen pirstoo ytimestä ulos useita pienempiä palasia tai hajottaa koko ytimen pienemmiksi palasiksi.
Siirtoreaktioissa kahden törmäävän ytimen välillä tapahtuu nukleonien vaihtoa.
Epäelastisessa sironnassa ytimeen törmäävä hiukkanen luovuttaa ytimelle energiaa ja virittää sen siten jollekin viritystilalleen.