ยูเรเนียมเป็นธาตุโลหะสีเงิน มีจุดหลอมเหลว 1,132.3+0.8 ^oC (2,070.1+1.4 ^oF) จุดเดือด 2,818 ^oC (5,104 ^oF) และมีความหนาแน่นประมาณ 18.95 กรัม/ ลูกบาศก์เซนติเมตร (~1,183.01 ปอนด์/ ลูกบาศก์ฟุต) ค้นพบเมื่อ ค.ศ. 1789 โดยชาวเยอรมันชื่อ มาร์ติน คลัพโรท (Martin Klaproth) ยูเรเนียมเป็นธาตุใน อนุกรมแอกทิไนด์ (actinide series) และยัง เป็นธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ซึ่งในปัจจุบันยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงหลักที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear reactor) ที่ใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ (nuclear power plant)

ยูเรเนียมมีเลขเชิงอะตอมเท่ากับ 92 กล่าวคือ ในโครงสร้างของอะตอมยูเรเนียมมีโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างละ 92 อนุภาค เท่ากัน สำหรับไอโซโทปยูเรเนียม-238 ภายในนิวเคลียสมีนิวตรอนจำนวน 146 อนุภาค โดยอยู่รวมกับโปรตอน ทั้งนี้จำนวน นิวตรอนแตกต่างไปได้ระหว่าง 141 ถึง 146 อนุภาค ยูเรเนียมที่พบตามธรรมชาติในเปลือกโลกมีไอโซโทปหลักคือ ยูเรเนียม-238 ประมาณ 99.27 เปอร์เซ็นต์ ยูเรเนียม-235 ประมาณ 0.72 เปอร์เซ็นต์ อีกไอโซโทปหนึ่งที่เหลือซึ่งมีปริมาณน้อยมาก คือ ยูเรเนียม-234

เนื่องจากยูเรเนียมเป็นธาตุกัมมันตรังสี นิวเคลียสจึงไม่เสถียรและมีธรรมชาติเกิดการสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay) โดยการปลดปล่อยอนุภาคต่าง ๆ พร้อมกับแปรไปเป็นธาตุอื่นเป็นทอด ๆ อยู่ตลอดเวลา ยกตัวอย่างยูเรเนียม-238 เริ่มต้น การสลายโดยการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟา พร้อมกับแปรธาตุเป็นทอเรียม-234 จากนั้นทอเรียม-234 ก็สลายต่อไปโดยการ ปลดปล่อยอนุภาคบีตาแล้วแปรธาตุเป็นโพรแทกทิเนียม-234 ซึ่งก็สลายเป็นธาตุอื่นเป็นทอด ๆ ต่อไป จนในที่สุดเมื่อแปรธาตุ เป็นตะกั่ว-206 ซึ่งเป็นธาตุเสถียรแล้ว ก็หยุดการสลายกัมมันตรังสี กลุ่มของธาตุในกระบวนการสลายกัมมันตรังสีเหล่านี้เรียกว่า อนุกรมการสลายกัมมันตรังสี (decay series)

การสลายตามธรรมชาติของยูเรเนียม-238 เป็นไปอย่างช้า ๆ โดยมีครึ่งชีวิต (half life หมายถึง ระยะเวลาที่มันสลายไป จนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเริ่มต้น) เท่า ๆ กับอายุของโลกคือประมาณ 4,500 ล้านปี กล่าวคือแทบไม่มีกัมมันตรังสี โดยมี กัมมันตรังสีต่ำกว่าไอโซโทปอีกหลายชนิดที่มีอยู่ในหินในทราย อย่างไรก็ดี การสลายนี้ปลดปล่อยพลังงานออกมา เป็นความร้อนราว 0.1 วัตต์ต่อตัน ซึ่งก็มากพอทำให้แกนของโลกยังคงร้อนระอุอยู่ได้ อนึ่ง ยูเรเนียม-235 จะสลายเร็วกว่า เล็กน้อย โดยมีครึ่งชีวิตประมาณ 700 ล้านปี อนึ่ง การที่ยูเรเนียมสลายโดยการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาด้วยอัตราคงที่ แร่ยูเรเนียมจึงมีประโยชน์ในการหาอายุของหินและใช้กำหนดอายุของโลก

เมื่อระดมยิงยูเรเนียม-235 ด้วยนิวตรอน จะเกิดปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส (nuclear fission) ทำให้นิวเคลียสของยูเรเนียม-235 แบ่งแยกออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กลง 2 นิวเคลียสพร้อมกับปลดปล่อยพลังงานออกมารวมทั้งปลดปล่อยอนุภาคนิวตรอนออกมา ด้วย 2-3 อนุภาค ซึ่งทำให้เกิดปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียสต่อ ๆ ไปได้เป็นลูกโซ่ (nuclear chain reaction) โดยยูเรเนียม-235 นี้เป็นไอโซโทปเดียวของยูเรเนียมที่มีสมบัติในการสามารถรักษาการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ไว้ได้ ที่เรียกว่าเป็น วัสดุฟิสไซล์ (fissil material) โรงงานไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear reactor) เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับควบคุม การเกิดอนุภาคนิวตรอนจากปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียสไว้ให้พอดีกับความต้องการ การควบคุมปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส ไม่ให้เกิดรุนแรงเกินไป ทำให้สามารถควบคุมพลังงานที่ปล่อยออกมาได้ตามต้องการ ดังนี้เอง ยูเรเนียม-235 จึงเป็นเชื้อเพลิง- นิวเคลียร์ (nuclear fuel) ที่ดี

ในการผลิตยูเรเนียมเกรดเชื้อเพลิงสำหรับใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เริ่มจากการแปลงยูเรเนียมให้เป็นยูเรเนียมออกไซด์ จากนั้นแปลงต่อไปเป็นแก๊สยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ ซึ่งเบาและเหมาะจะเสริมสมรรถนะ (enrichment) ได้ กล่าวคือ เป็นการ ทำให้มีความเข้มข้นของไอโซโทปยูเรเนียม-235 จากระดับตามธรรมชาติคือ 0.7 เปอร์เซ็นต์ ให้สูงขึ้นในช่วง 3-5 เปอร์เซ็นต์ เรียกเป็น “ ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ” (enriched uranium) จากนั้นก็แปลงจากแก๊สกลับไปเป็นยูเรเนียมออกไซด์ (UO₂) แล้วทำเป็นเม็ดเชื้อเพลิง (fuel pellets) สำหรับไปบรรจุในแท่งเชื้อเพลิง (fuel rod) ซึ่งนำมาประกอบรวมกันเป็นชุดเชื้อเพลิง (fuel assembly) สำหรับใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ อนึ่ง ในกระบวนการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นี้ ยูเรเนียมที่เหลือเรียกว่า “ ยูเรเนียมด้อยสมรรถนะ” (depleted uranium ย่อว่า DU) ซึ่งมีสัดส่วนของยูเรเนียม-238 สูงขึ้นและยูเรเนียม-235 มีสัดส่วน ลดลง

โดยทั่วไป เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้นานราว 3 ปีก็จะมีสัดส่วนของยูเรเนียม-235 ลดลงมากจนไม่เหมาะจะใช้เป็นเชื้อเพลิง อีกต่อไป จำเป็นต้องเปลี่ยนเชื้อเพลิงใหม่เข้าไปทดแทน เชื้อเพลิงที่นำออกมานี้เรียกว่า เชื้อเพลิงใช้แล้ว (spent fuel) ซึ่งอาจนำมาเก็บไว้เพื่อจะนำไปแปรสภาพซ้ำ (reprocessing) เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ หรืออาจนำไปเก็บไว้ในที่ฝังเก็บใต้ธรณี (underground repository) กระบวนการทั้งหมดนับตั้งแต่การทำเหมืองยูเรเนียมมาผลิตเป็นเชื้อเพลิง การใช้เชื้อเพลิงใน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การนำเชื้อเพลิงใช้แล้วมาใช้ใหม่หรือนำไปฝังเก็บ รวมเรียกว่า วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (nuclear fuel cycle)

นอกเหนือจากการใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แล้ว ยังมีการใช้ยูเรเนียมและนิวไคลด์กัมมันตรังสีอื่น ๆ อีก เช่น ในทางการแพทย์ ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ และการเกษตร ตลอดจนในทางทหารซึ่งใช้ยูเรเนียมด้วยสมรรถนะผลิตเป็นกระสุนเจาะเกราะ และยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงกว่า 9 0 เปอร์เซ็นต์เคยใช้ผลิตเป็นอาวุธนิวเคลียร์