2020 年台灣發電佔比中，核能佔比 11.24%。不過，由於台灣核電廠年限陸續到期，以及部分放置高階核廢料的燃料池逐漸放滿，核電廠將陸續除役，至 2025 年預計佔比為 0。
核能發電的燃料是鈾 235。鈾 235 要從鈾礦開採，經過濃縮與提煉後，製成含 3%鈾 235 的燃料棒。把這些燃料棒放入反應爐中，透過中子撞擊鈾 235，引發核裂變，進而產生熱能，再用熱能來發電。依據傳遞熱能的方式，可分為沸水式反應爐與壓水式反應爐。在核裂變發生後，會產生兩個較小的原子核，這個原子核就會成為發出輻射的核廢料。
核能發電不用經常更換燃料，只需每 18 個月更換 ⅓ 的燃料棒，因此一組燃料棒的使用時間可以長達數年。這使得它的發電相較之下比較穩定，不受天候影響。
核能發電的優點是發電過程不會產生排碳跟其他類似火力發電排放的有害廢氣，在減排碳的目的上有其優點；但依據不同的計算方式，比如從鈾礦開始開採計算，也有研究指出核能的排碳比預估的為高。由於核能從製作過程到最後廢棄物處理都容易有輻射污染，全球主要的國際組織對於核能，多以「低碳能源」/「潔淨能源」稱之，但不會稱為綠能（Green Energy）或永續能源（Sustainable Energy）。
核廢料分為低階核廢料與高階核廢料。目前低階核廢料放置於蘭嶼及桃園核研所，以及各電廠廠區內。當時設計規劃時，原本預計可以海拋這些低階核廢料，但在 1996 年的倫敦公約禁止將核廢料海拋之後，這些核廢料必須找到長期的貯存場所。台灣曾經經過多次的選址，希望能夠找到永久貯存的地方，但是由於選址過程中不是遭到居民抗議、就是地方政府不願意舉辦選址條例的法定公投等等原因，造成至今台灣仍找不到永久貯存低階核廢料的地方。
高階核廢料主要為核電廠用過的燃料棒，這些燃料棒要先放在廠房內的燃料池，利用水循環減少發出的熱量，經過五到八年溫度降低之後，才能移出到乾貯設施暫存，不過，由於乾貯設施沒有得到地方政府的許可執照，因此許多高階核廢料只能存放在燃料池中，目前核一、核二的燃料池已經逐漸放滿了，目前找不到其他的處理方式，更遑論高階核廢料的「最終貯存」。
國際間一般認為，這些高階核廢料的最終貯存場應放至於岩盤穩固、不會滲水的地底深處，以免輻射外洩造成問題。不過目前僅有芬蘭與瑞典有營運這樣的最終貯存場，台灣的地質條件應該很難有這樣的地方可以作為最終貯存場。
核能電廠的安全問題則是另一個大問題。與其他電廠相較，核電廠周遭一旦遭遇到地震、海嘯或是火山爆發這類高危險性複合式天災的時候，冷卻系統有可能受到損壞而發生核災，將會使得大量土地遭到輻射汙染而不適合人類繼續居住。除此之外，前蘇聯車諾堡與美國三哩島嚴重的核子事故，卻是人為操作失誤。福島核電廠發生事故時，居民的避難範圍達 20 公里，目前行政院原子能委員會規畫的「緊急應變計畫區」只有 8 公里，撤退緩衝時間是 2~4 小時，但以日本福島事故疏散半徑 20 公里內之聚落來看，若核一、核二廠疏散範圍擴大到 20 公里，將涵蓋半個臺北市。大台北地區是都會盆地，恐怕難以「畫半徑」。
另外，核電從啟動到接上電網，需要三至五天的時間，到滿載還需要額外四天，與燃煤、燃氣相較，彈性較低。如遇跳機，安全檢查無虞後，重新啟動併聯升載的時間需要較長，應變與調度困難度較高，不符合現今電網強調彈性和應變能力的需求。
核一廠：
核一廠目前兩部機用過的燃料池都已經滿了，1 號機與 2 號機的執照都過期，已經進入除役階段，2 號機停機中，已經通過環評開始進入實質除役。乾貯設施方面只完工第一期露天的乾貯，但是新北市政府不支持啟用。
核二廠：
核二廠兩部機組安全運轉中，但 1 號機的燃料池要滿了，滿了以後反應爐就無法填充新燃料。2 號機目前可以運轉至燃料屆期，不過核二廠的乾貯設施新北市不支持無法動工。目前核二廠的除役計畫已經經原能會審查通過，等環評通過後就可開始除役。
核三廠：
目前核三廠兩部機組安全運轉中，可以運轉到執照屆期，用過的燃料池空間充足，目前正在辦理福島安全強化工程，包含成立海嘯總體檢專案小組、檢討各核電廠用過燃料池冷卻功能、強化各核電廠的耐震能力、加強緊急發電機的可靠度等等，預計將會花掉 300 億做相關的強化。由於核三廠預計於 2025 年除役，依據核子反應器設施管制法，必須於前 5~15 年申請延役；由於已經超過期限，目前依法核三廠已經無法申請延役。在除役方面，核三廠剛剛進入除役的環評二階，除役計畫還沒送原能會審查。
核四廠：
核四廠與之前三廠不同。之前的核能電廠是採統包（turn-key）建廠，由美國核能公司及工程顧問公司（顧問公司）負責整廠設計、設備採購、施工督導、試運轉測試及至滿載運轉，全程負責；核四廠的時候，把核電廠的顧問、反應爐、發電機、機電工程、土木工程，採分包招標的方式進行，因此在設計、施工、整合、工地管理、測試，出現了不少問題，時間延宕以及工序紊亂，很多設備零件已過保固期，甚至有裝備拔來拔去的狀況；有些設計的規格與製作的規格不符，出現了許多工程問題，導致延宕。
而且，核四興建過程中多次停建、封存，連原本設計團隊都已經解散找不回來，內部的控制系統經過20年也已經過時，控制系統的公司也早已破產。若要運轉，估計需要花上許多年的時間處理先期問題，處理後，最快也要 6~7 年才可開始運轉。2014 年 4月，時任行政院長江宜樺宣布核四封存。
核四所規劃能發電之瓦數為270萬千瓦，相較之下，興達電廠新燃氣機組就可達到 390 萬千瓦。
福島事故
2011 年 3 月 11 日下午 2 點 46 分，日本東北地方外海發生規模為 9.0 的地震。當時福島第一核電廠的 4-6 號機停機處於定期安全檢查狀態，1-3 號機正在運轉，地震後反應爐自動停止。地震引發電廠的電源故障，導致機組失去外部供電，因此啟動了應急柴油發電機。地震發生約 50 分鐘後，最高高度約為 13 公尺高的海嘯襲擊了核電廠，地下室的應急柴油發電機因為遭到淹沒而停止運轉，電器、水泵、燃料罐、緊急電池等大部分設備受損或被水沖走，導致核電廠陷入全廠停電，水泵無法向爐心和用過燃料池注入冷卻水，無法帶走燃料棒的熱量，導致爐心開始空燒，當溫度超過 2000 度後，燃料棒就會因為過熱而融化。
在 1-3 號機中，由於燃料棒護套融化，導致燃料顆粒落到反應爐壓力槽底部。這些燃料溫度極高，熔穿壓力槽底部，落入反應爐安全殼，造成爐心熔毀。同時，由於壓力槽內壓力增加，水位降低，暴露出水面的核燃料氧化鈾溫度過熱，燃料棒護套的鋯合金與水蒸氣發生催化反應而產生氫氣。水蒸氣和氫氣導致壓力急遽升高，部分安全殼損壞，熔毀的爐心釋出大量氫氣，聚集在反應爐、氣輪機廠房內，導致 1、3、4 號機發生了氫氣爆炸，廠房和周圍的設施嚴重損壞。
根據東京電力的推算，此次事故共外洩大約 90 萬兆 Bq 的鈾元素和碘-131、鎘-137 和鈽-134。根據法國放射線防護與核安全研究所（Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire）於 2011 年 10 月發表的報告，從 3 月 21 日至 7 月中期，大約有 27 PBq 銫-137 釋入大海，大多數（82%）是在 4 月 8 日前釋入大海。另外，則有輻射塵被帶到內陸地區，通過飯館村、伊達市、福島市、郡山市等地，降雨或降雪之後就沉積在土壤，因而造成長期性的汙染。
事件發生後，日本政府將福島第一核電廠周圍 20 km圈內的地區作為警戒區域，圈外放射線量高的地區作為「計劃中的避難區域」，共計約 10 萬居民撤離。到 2012 年 4 月時，日本政府重新指定了整年累積劑量 20 毫西弗以下地區為「避難指示解除準備區」，可行車經過、居民短暫返家或恢復重新營業；整年累積劑量有可能超過 20 毫西弗地區為「居住限制區」，除了行車、居民短暫返家與基礎設施重建可進入本區，非必要不要進入；目前之整年累積劑量超過 50 毫西弗地區為「返回困難區」，要求徹底疏散避難，僅能臨時進入。
不過，日本分級區域的標準遭受了不少批判。有人認為，未滿 20 毫西弗/年，是國際放射防護委員會針對「緊急狀況」所建議的基準，根據日本的「核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律」，人為造成之輻射年劑量不得超過 1 毫西弗，分級區域的標準明顯違反這部法律規定；且當地實際測得的劑量仍較災前的東京高。很多居民因為擔心輻射所造成的影響，自行在外避難。在日本的避難指示解除後，這些自行在外避難者就成為「自主避難者」，失去難民身分，也無法取得賠償與住宅，有許多自主避難者陷入生活上的困難。
除了居民避難外，由於輻射塵造成當地的輻射污染，日本政府也進行刨除表土 5~10 公分的「除汙」工作，預計將移除高達 1400 萬立方公尺的污染物，運送到當地的暫時儲存設施中。不過，綠色和平東亞分部於 2021 年 3 月根據政府公開資料指出，在範圍達 840 平方公里的特別除污地區（SDA）內，僅 15% 區域完成清除輻射，85% 面積沒有啟動清除工作，且未進入森林地帶進行除污，輻射物可能會從森林中飄散至原本的居住區域。另外，核災發生後，福島電廠曾發生輻射污水持續流入海洋的事件。核電廠目前利用 2018 年完工、深入地下 30 公尺、長達 1.5 公里的「冷凍牆」來防堵輻射污水外洩，但污水量卻因下雨及其他冷卻因素而持續增加，成為一大隱憂，2020 年每天平均增加 140 立方公尺污水。2021 年 4 月 13 日，日本政府正式決定在經過處理之後，將約 120 萬噸含氚的核污水稀釋後排入大海，引發周邊國家的抗議。