第一个成功的核裂变实验装置在1938年的柏林被德国科学家奥托·哈恩，莉泽·迈特纳和弗瑞兹·斯特拉斯曼制成。
在第二次世界大战中，一些国家致力于研究核能的利用，它们首先研究的是核反应堆。1942年12月2日，恩里科·费米在芝加哥大学建成了第一个完全自主的链式核反应堆，在他的研究基础上建立的反应堆被用来制造轰炸了长崎的原子弹“胖子”中的钚。在这个时候，一些国家也在研究核能，它们的研究重点是核武器，但同时也进行民用核能的研究。
1951年12月20日人类首次用核反应堆产生出了电能，这个核反应堆位于爱达荷州Arco的EBR-I试验增殖反应堆，它最初向外输出的功率为100 kW。
1952年，帕雷委员会(“总统的材料政策委员会”的简称)向当时的美国总统哈利·S·杜鲁门提交了一份报告，这份报告认为核能的前景“相当悲观”，它建议应该让科学家们研究太阳能。
1953年12月，美国总统德怀特·艾森豪威尔发表的名为“和平需要原子”的演说，这使美国政府开始资助一系列国际间的核能研究。 1954年6月27日，世界上第一个为电网提供电力的核电站在苏联的欧伯宁斯克开始运行。这个反应堆使用了石墨来控制核反应并用水来冷却，功率为5兆瓦。全世界第一个投入商业运营的核反应堆是位于英格兰谢菲尔德的Calder Hall，它于1956年开始运行。它有一个Magnox型反应堆，最初的输出功率为 50兆瓦，后来提高到了200兆瓦。宾夕法尼亚州码头市的一个压水型反应堆是美国第一个投入商业运营的反应堆。
1954年，美国原子能委员会(美国核管理委员会的前身)的主席说，人们谈到核能时经常会提到，如果广泛应用核能，电力在将来会变得很便宜，实际上这是错误的。但是人们的这种想法已经让美国决定在2000年之前建造1000个核反应堆。
在1955年联合国的“第一次日内瓦会议”中，世界上聚集了最多的科学家来一起探索核能这个新领域。1957年，欧洲原子能共同体(EURATOM)、国际原子能机构(IAEA)一同成立。 核反应堆的功率提升迅速，从1960年代的不到1GW（吉瓦）猛长至1970年代的100GW，1980年代又升到了300GW。1980年以后，核反应堆的功率的提升变得不那么迅速了，到2005年，功率只上升到了366GW，大部分来自于中国的核能建设。
在1970年代和1980年代之间，建造核电站所需的巨额费用(来自政府要求的提高和一些反对者的诉讼所要求的经常性改进)和下降中的化石燃料价格使建造当中的核电站变得不那么吸引人。
在20世纪后半叶，一些反对核能的运动开始兴起，它们担心的是核事故和核辐射，还反对生产，运输和储藏核废料。1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故成为了许多国家停止建造新核电站的关键理由。澳大利亚于1978年，瑞典于1980年，意大利于1987年都对建造核电站的问题发动了全民公投，同时爱尔兰的核能反对者成功地阻止了在该处核能计划的实施。但布鲁金斯学会表示，美国政府没有批准新核电站的建造主要是由于经济原因，而非安全问题。
