처음 이를 발견한 사람은 독일의 과학자인 오토 한. 그는 이 공로로 1944년 노벨화학상을 받았다. 그전에 이렌 퀴리(마리 퀴리의 장녀)와 프레데릭 졸리오퀴리(마리 퀴리의 사위)가 핵분열 현상을 관찰하였으나, 원소를 검출하는 과정에서 실수를 범해서 핵분열 현상을 증명할 기회를 놓쳤다.

한 개의 무거운 원자핵이 두 개 또는 그 이상의 가벼운 원자핵으로 바뀌는 핵반응이다. 원자핵분열이라고도 한다. 이러한 원리를 이용하여 물을 끓여서 전기를 생산하는 것을 원자력발전 이라고 한다. 착각해서는 안되는 것이 핵분열 에너지를 즉각 전기 에너지로 바꾸는 것이 아니라 핵분열에서 나오는열 에너지로물을 끓여서 증기 터빈을 돌리는 역할만 한다는 것이다[1].

무거운 원자핵에서는 핵분열이 일어나면서 에너지가 방출되는데, 이것은 원자핵의 결합에너지 차이에서 발생한다. 원자핵의 결합에너지는 철(Fe)에서 가장 크고 질량이 커질수록 감소하는 특성을 가지고 있기 때문에 질량이 큰 원자핵이 작은 원자핵 두 개로 핵분열하면서 두 결합에너지의 차이가 핵분열과 함께 방출된다.

이 에너지의 차이는 핵분열 전후에 질량결손이 생기고 아인슈타인의 질량-에너지 동등성(E=mc^2E=mc2)으로 설명된다. 질량결손에 의해 생성된 에너지는 생성된 입자의 운동 에너지와전자기파(γ선)의 에너지 등이 된다. 이 에너지를 원자핵 에너지 또는 원자력이라고 한다.

예를 들어, 질량수가 A=230인 큰 원자핵이 질량수가 A=115인 작은 원자핵 두 개로 분열되는 경우 분열 전 후의 결합에너지는 각각 다음과 같다.

결합 에너지(B)=(핵자 당 결합 에너지) X (질량수A) X (입자수)

분열 전: A=230인 원자핵 1개: 결합에너지 B1 =7.63 X 230 MeV = 1755 Mev

분열 후: A=115인 원자핵 2개: 결합에너지 B2= 8.48 X 115 MeV X 2 = 1950 Mev

일반적으로 핵분열은 우라늄과 같은 무거운 원자핵에 느린중성자를 충돌시켰을 때 중성자가 우라늄 원자핵 속으로 들어가 우라늄에 속한 전체 양성자와 중성자가 분열하여 핵분열이 일어난다. 따라서 핵분열을 위해서는 외부에서 원자핵으로 들어간 중성자와 같은 입자가 필요하다.

캘리포늄-252의 경우 외부 중성자가 필요없는 자발적 핵분열을 해, 좋은 중성자 공급원으로 사용된다. 자세한 내용은 항목 참조.

핵분열이 지속적으로 이루어지면 일정 기간동안 에너지를 지속적으로 얻을 수 있다. 이를 위하여 연쇄 반응이 필요하다.

무거운 원자핵이 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 핵분열은 원자핵의 물방울 모형으로 설명할 수 있다. 물방울이 작은 입자와 부딪쳐 들떠 있으면 여러 형태의 진동을 하다가 물방울이 깨져서 분열이 일어난다. 

일반적으로는 자연에서 구할 수 있는 원소 중 무거운 원소인우라늄을 사용한다.

핵무기는 이 원리를 이용해서 강력한 에너지를 발생시키지만 최악의 경우 전체 질량의 1%정도, 아무리 효율이 높아도 2~30%정도만 에너지로 변환시키는게 한계. 나머지는 핵분열로 발생하는 에너지의 방출에 못이겨 흩어지게 되며, 이 때문에 폭발 후 상당히 넓은 범위에 분열물질이 흩뿌려진다. 흔히 말하는 낙진은 화구에 말려들어간 토양 및 구조물의 파편, 그리고 화재로 발생한 재들이 버섯구름과 함께 고공으로 올라갔다가 바람을 타고 광범위하게 흩어지는 것인데, 바로 이 낙진 속에 이 흩어진 분열물질들이 포함된다.

현재 인류가 실용적으로 얻을 수 있는 에너지원 중 태양에서 온 것들(태양열, 바람, 물의 순환, 고대 생물의 시체 등을 이용하는 에너지)와 전혀 관련 없는 에너지 중 원자력과 지열이 핵분열과 관련된 에너지이다. 원자력은 명백하며, 지열은 지구를 이루는 원소 중 불안정한 동위원소들이 안정한 물질로 붕괴하면서 나온 에너지가 누적된 데서 기인한다.

여담으로 생물학의 이분법에서 이름을 따왔다고 한다. 핵분열을 발견한 마이트너가 연구 결과를 공개할 때 그 자리에 참석한 생물학자에게 세포가 2개로 분열하는 것을 무엇이라 부르는지 물어보았고, 이분법(binary fission)의 fission이라는 명칭을 따서 이름붙였다고 한다.