核能主要使用的是鈾-235、釷-232、氘、鋰等化學物質，這些物質在覈反應中釋放出巨大的能量。在覈電站中，實現可控制核裂變反應的過程需要燃料元件、堆內構件、控制棒、反射層、冷卻劑和慢化劑（快堆除外）以及包容它們的壓力容器或壓力管道等，這些都需要各種各樣的材料來製造。
常用的關鍵材料大體可分爲碳鋼、不鏽鋼和特殊合金，若進一步細分，則有碳（錳）鋼、低合金鋼、不鏽鋼、鋯合金、鈦鋁合金和鎳基合金等，按品種則有鑄鍛件、板、管、圓鋼、焊材等等。這些材料需要具有高的強度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能，同時還需要考慮輻照帶來的組織、性能、尺寸等變化，如晶間腐蝕、應力腐蝕、低應力脆斷、材料間的相容性、與介質的相容性以及經濟可行性等。
此外，核電用材料還有石墨，主要用於核電氣冷堆用作緩和劑。