Kemiallinen reaktio ja ydinreaktio eroavat toistaan siten, että kemiallisessa reaktiossa atomit pysyvät samoina, kun ydinreaktioissa atomit muuttuvat toisiksi atomeiksi. Kemiallisessa reaktiossa voi syntyä uusia yhdisteitä tai lähtöaineiden atomit voivat vapautua alkuaineina.

Ydinreaktiossa alkuaineisotoopeista syntyy uusia alkuaineisotooppeja. Samalla syntyy radioaktiivista säteilyä. Ydinreaktiot voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: fissioon ja fuusioon.

Ytimen itsestään tapahtuvaa eli spontaania hajoamista kutsutaan fissioksi ja ydinten yhteenliittymistä fuusioksi. Raskaan ytimen hajoamista kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi sanotaan fissioksi. Fission voi aiheuttaa esimerkiksi ytimeen absorboituva neutroni tai protoni.

Ydinvoimaloiden energiantuotto perustuu Uraani-235:n fissioon. Vapautuneella energialla keitetään vettä, joka pyörittää höyryturbiineja, jotka tuottavat sähköä.

Ydinfuusiossa toistensa kanssa vuorovaikuttavat kevyet ytimet yhtyvät. Fuusiossakin vapautuu energiaa. Esimerkiksi vedyn isotooppien deuteriumin ja tritiumin fuusiossa syntyy heliumia. Auringossa fuusiota tapahtuu koko ajan, mikä mahdollistaa elämän Maassa. Fuusioreaktoria on kehitetty pitkään saasteettomammaksi vaihtoehdoksi kuin fissioon perustuvia ydinreaktoreita, mutta laihoin tuloksin. Fuusioreaktorin polttoaineen saisi esimerkiksi merivedestä ja ns. ydinjätettä ei tulisi lainkaan.