Paliwo jądrowe to substancja zawierająca materiał rozszczepialny, najczęściej wzbogacony uran (izotop 235U) lub pluton (239Pu), która może występować w formie stałej, ciekłej, a nawet gazowej, a jej konkretny rodzaj jest zawsze dopasowany do danego typu reaktora. Podczas eksploatacji w paliwie gromadzą się produkty rozszczepienia, co obniża wydajność reakcji i wymusza jego wymianę; wypalone paliwo jest najbardziej radioaktywną jego postacią, przechowywaną w elektrowni, a po latach poddawaną oczyszczaniu w celu ponownego wykorzystania. Wyróżnia się wiele typów paliwa, m.in. ceramiczne (tlenkowe, węglikowe) o wysokiej odporności na temperaturę, cermetowe łączące ceramikę z metalem dla lepszej przewodności cieplnej, oraz ciekłe, które oferują dużą moc, ale mają też istotne wady. Wysoko wzbogacone paliwo, nadające się do produkcji broni, określa się mianem jądrowego materiału wybuchowego. Dzięki tej różnorodności form i składów, paliwo jądrowe jest projektowane tak, aby zapewnić maksymalną wydajność, bezpieczeństwo i trwałość w ekstremalnych warunkach panujących wewnątrz reaktora.