Tính đến năm 2005, năng lượng hạt nhân cung cấp 2,1% nhu cầu năng lượng của thế giới, chiếm khoảng 15% sản lượng điện toàn cầu. Tính riêng Hoa Kỳ, Pháp và Nhật Bản, sản lượng điện hạt nhân chiếm 56,5% tổng nhu cầu điện của 3 nước. Đến năm 2007, theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), có 439 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên thế giới, thuộc 31 quốc gia.

Hoa Kỳ là nơi sản xuất nhiều năng lượng hạt nhân nhất, cung cấp 19% lượng điện tiêu thụ, trong khi đó tỷ lệ điện hạt nhân của Pháp cao nhất trong sản lượng điện của nước này, đạt 78% vào năm 2006. Trong toàn Liên minh châu Âu, năng lượng hạt nhân cung cấp 30% nhu cầu điện. Ở Hoa Kỳ, doanh thu của ngành điện hạt nhân 33 tỷ USD, tăng trưởng trung bình giai đoạn 2007-2012 là 2,7%/năm.

Công suất lắp đặt hạt nhân tăng tương đối nhanh chóng từ dưới 1 gigawatt (GW) năm 1960 đến 100GW vào cuối thập niên 1970, và 300GW vào cuối thập niên 1980. Kể từ cuối thập niên 1980 công suất toàn cầu tăng và đạt 366GW vào năm 2005. Giữa khoảng thời gian 1970 và 1990, có hơn 50GW công suất đang trong quá trình xây dựng (đạt đỉnh trên 150GW vào cuối thập niên 1970 đầu 1980) và năm 2005 có khoảng 25GW công suất được quy hoạch.

Cuộc khủng hoảng dầu hỏa năm 1973 tác động đến nhiều quốc gia, nặng nhất là Pháp và Nhật Bản vốn là những nước phụ thuộc phần lớn vào lượng dầu hỏa để phát điện (tương ứng 39% ở Pháp và 73% ở Nhật), và đây cũng là động lực để các nước này đầu tư vào năng lượng hạt nhân. Ngày nay, lượng điện từ năng lượng hạt nhân ở Pháp chiếm 80%, Nhật Bản 30% trong sản lượng điện của các nước này.

Các nhà máy điện hạt nhân thường có chi phí vốn cao để xây dựng, nhưng chi phí nhiên liệu thấp. Từ năm 1970-1990, chi phí nhà máy điện hạt nhân tăng khoảng 15%/năm. Điện hạt nhân có tổng chi phí trong năm 2012 khoảng 96USD/MWh, hầu hết liên quan đến chi phí xây dựng cơ bản, so với với năng lượng mặt trời ở mức 130USD/MWh và khí thiên nhiên ở mức thấp mức 64USD/MWh.

Trong những năm gần đây đã có sự suy giảm trong tăng trưởng nhu cầu về điện. Ở Đông Âu, một số dự án lâu đời đang phải vật lộn để tìm kiếm tài chính, đặc biệt là Belene ở Bulgaria và các lò phản ứng bổ sung tại Cernavoda ở Rumani. Trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh, giá khí thiên nhiên rẻ và nguồn cung tương lai tương đối an toàn, đã đặt ra một vấn đề lớn đối với các dự án hạt nhân và các nhà máy hiện có.

Hiệu quả kinh tế của các nhà máy điện hạt nhân đang là chủ đề gây nhiều tranh cãi, do khoản đầu tư hàng tỷ USD cho nguồn năng lượng này. Đó là chưa tính đến những rủi ro về những bất ổn trong tương lai của các nhà máy điện hạt nhân.

Cho đến nay, tất cả nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động do nhà nước sở hữu hoặc điều hành độc quyền, nơi có nhiều rủi ro liên quan đến chi phí xây dựng, hiệu suất vận hành, giá nhiên liệu, trách nhiệm tai nạn và các yếu tố khác.

Ngày 26-4-1986, lò phản ứng số 4 nhà máy điện nguyên tử Chernobyl phát nổ, gây ra một loạt vụ nổ ở các lò phản ứng khác, làm tan chảy lõi lò phản ứng hạt nhân. Đây là sự cố hạt nhân trầm trọng nhất trong lịch sử. Do không có tường chắn nên các đám mây bụi phóng xạ bay lên bầu trời và lan rộng ra nhiều khu vực phía Tây Liên bang Xô Viết, lan tới một số nước Đông Âu và Tây Âu, Anh và phía Đông Hoa Kỳ.

Thảm họa này phát ra lượng phóng xạ gấp 400 lần quả bom nguyên tử ném xuống Hiroshima của Nhật Bản trong Thế chiến II. Sau thảm họa, hàng loạt vấn đề về ô nhiễm môi trường cũng như về sức khỏe đe dọa người dân.

Tháng 3-2011, sau thảm họa động đất và sóng thần Sendai, nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản đã gặp hàng loạt vấn đề đối với các lò phản ứng và rò rỉ phóng xạ gây ra sự cố nhà máy điện Fukushima I.

Tình trạng ô nhiễm phóng xạ ngày càng cao. Tuy không có người tử vong tại chỗ, nhưng nó gây nhiều lo ngại về sức khỏe của con người trong khu vực bị ảnh hưởng sau này. Dự kiến phải mất nhiều năm để sửa chữa nhà máy và khử sạch phóng xạ.

Những thảm họa này đã làm phát sinh những tranh cãi về điện hạt nhân. Bên ủng hộ cho rằng năng nượng hạt nhân là nguồn năng lượng bền vững làm giảm phát thải cacbon và gia tăng an ninh năng lượng do giảm sự phụ thuộc vào nguồn dầu mỏ nước ngoài.

Các đề xuất cũng nhấn mạnh các rủi ro về lưu giữ chất thải phóng xạ là rất nhỏ và có thể giảm trong tương lai gần khi sử dụng công nghệ mới nhất trong các lò phản ứng mới hơn. Trong khi đó, các ý kiến chỉ trích cho rằng năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng chứa đựng nhiều tiềm năng nguy hiểm, cần phải giảm tỷ lệ sản xuất, đồng thời cũng nghi ngờ các rủi ro có thể được giảm thiểu bằng công nghệ mới.

Hiện có nhiều tranh luận về lợi ích của năng lượng hạt nhân so với các nguồn năng lượng tái tạo. Những người ủng hộ năng lượng tái tạo cho rằng năng lượng gió và mặt trời rẻ và an toàn hơn so với năng lượng hạt nhân. Vì thế, phần lớn năng lượng tái tạo được lắp đặt hiện nay dưới dạng thủy điện, năng lượng mặt trời và gió đang phát triển với tốc độ cao, đặc biệt là ở các nước phát triển.

Còn những người ủng hộ điện hạt nhân cho rằng các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời không đủ khả năng khử cacbon hóa của lưới điện do sự gián đoạn của chúng. Viện Nghiên cứu Brookings đã công bố kết quả một nghiên cứu, cho thấy công nghệ năng lượng carbon thấp nhất được xác định là năng lượng hạt nhân.

Trong khi đó, một số nghiên cứu kết luận rằng năng lượng gió và mặt trời có chi phí thấp hơn so với điện hạt nhân, khi xem xét giá mỗi kWh. Chi phí xây dựng các thiết kế lò phản ứng điện hạt nhân ngày càng tăng do các quy định chặt chẽ hơn. Năm 2010, một báo cáo từ các nhà nghiên cứu năng lượng mặt trời tại Đại học Duke, khẳng định năng lượng mặt trời rẻ hơn so với năng lượng hạt nhân.

Tuy nhiên, dữ liệu từ Cơ quan Năng lượng quốc gia Hoa Kỳ (EIA) năm 2011 ước tính năm 2016, năng lượng mặt trời có chi phí điện cao gần gấp đôi hạt nhân, trong khi năng lượng gió ít tốn kém hơn hạt nhân. EIA cũng cảnh báo các chi phí liên quan đến các nguồn không liên tục như gió và mặt trời không thể so sánh trực tiếp với chi phí của các nguồn ổn định như điện hạt nhân.