核裂变（德语：Kernspaltung；英语：nuclear fission），在港台称作核分裂，是指由较重的（原子序数较大的）原子，主要是指铀或钚，裂变成较轻的（原子序数较小的）原子的一种核反应或放射性衰变形式。核裂变是由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩及奥托·罗伯特·弗里施等科学家在1938年发现。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用钚-239为原料制成。而铀-235裂变在核电站最常见。

重核原子经中子撞击后，裂变成为两个较轻的原子，同时释放出数个中子，并且以伽马射线的方式释放光子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子，从而形成链式反应而自发裂变。原子核裂变时除放出中子还会放出热，核电站用以发电的能量即来源于此。因此核裂变产物的结合能需大于反应物的的结合能。

核裂变会将化学元素变成另一种化学元素，因此核裂变也是核迁变的一种。所形成的二个原子质量会有些差异，以常见的可裂变物质同位素而言，形成二个原子的质量比约为3:2。大部分的核裂变会形成二个原子，偶尔会有形成三个原子的核裂变，称为三裂变变，大约每一千次会出现二至四次，其中形成的最小产物大小介于质子和氩原子核之间。

现代的核裂变多半是刻意产生，由中子撞击引发的人造核反应，偶尔会有自发性的，因放射性衰变产生的核裂变，后者不需要中子的引发，特别会出现在一些质量数非常高的同位素，其产物的组成有相当的机率性甚至混沌性，和质子发射、α衰变、集群衰变等单纯由量子穿隧产生的裂变不同，后面这些裂变每次都会产生相同的产物。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。核燃料是指一物质当中子撞击引发核裂变时也会释放中子，因此可以产生链式反应，使核裂变持续进行。在核电站中，其能量产生速率控制在一个较小的速率，而在原子弹中能量以非常快速不受控制的方式释放。

由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个，因此若对链式反应不加以控制，同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多，将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核裂变的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量，需要在90%以上。

核能发电应用中所使用的核燃料，铀-235的含量通常很低，大约在3%到5%，因此不会产生核爆。但核电站仍需要对反应堆中的中子数量加以控制，以防止功率过高造成堆芯熔毁的事故。通常会在反应堆的慢化剂中添加硼，并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能裂变。

核裂变时，大部分的裂变中子均是一裂变就立即释出，称为瞬发中子，少部分则在之后（一至数十秒）才释出，称为延迟中子。

中子俘获是一种原子核与一个或者多个中子撞击，形成重核的核反应。由于中子不带电荷，它们能够比带一个正电荷的质子更加容易地进入原子核。

在宇宙形成过程中，中子俘获在一些质量数较大元素的核合成过程中起到了重要的作用。中子俘获在恒星里以快（R-过程）、慢（S-过程）两种形式发生。质量数大于56的核素不能够通过热核反应（即核聚变）产生，但是可以通过中子俘获产生。