원자핵이 둘 이상의 비교적 큰 부분으로 분열되는 현상. 원자핵 내에서의 핵자(核子) 1개당의 결합에너지는 가벼운 핵으로부터 중위(中位:철·코발트 등)로 향하여 완만하게 감소한다. 따라서 중위의 핵이 가장 안정되어 있으며, 가벼운 핵의 융합반응과 함께, 무거운 핵분열반응에 의해 에너지가 해방되어 안정화된다는 것을 알 수 있다.

이 종류의 과정은 어떤 종류의 원자핵이 중성자·α선·γ선 등의 방사선으로 외부로부터 들뜨게 되었을 때 일어나며, 또 어떤 원자핵에서는 외부로부터 자극을 받지 않아도 자발적으로 일어난다. 또한 핵분열 때 비교적 큰 분열파편 외에 낮은 에너지의 중성자가 방출되는 경우가 많으며, 이들 중성자는 더욱 핵분열을 촉진시킴으로써 연쇄적인 분열반응의 가능성이 생기게 된다. 이것은 막대한 핵에너지의 해방·이용의 가능성을 여는 것으로서 핵반응의 한 형식인 핵분열과정에 중대한 역사적 의미를 부여하게 되었다.

핵분열반응은 1938년 O.한과 F.슈트라스만에 의하여 우라늄 238 ²³⁸U을 중성자로 조사(照射)했을 때에 발견한 것이 최초의 일이었다. 이 경우 우라늄 238 238U은 바륨 139 ¹³⁹Ba 및 크립톤 97 ⁹⁷Kr 등으로 분열하여 분열파편은 170 MeV의 평균에너지를 가지고 비산하였다. 자발적(自發的) 핵분열은 40년 발견되었다.