I et kraftværk frigives der termisk energi fra et brændstof. En del af den frigjorte termiske energi kan omdannes til elektricitet, som går ud til forbrugerne. Energiomdannelsen sker ved, at vand opvarmes og fordamper, og denne damp drives gennem en dampturbine, hvis omdrejninger bruges til at generere strøm. Dette er illustreret i figuren ovenfor. Det er ikke muligt at omdanne alt den frigjorte termiske energi til elektricitet, men en stor del af den resterende termiske energi kan benyttes til fjernvarme. I dag er nyttevirkningen for omdannelsen af termisk energi til elektricitet i kraftværker ca. 30%. Dvs. kun 30% af den termiske energi bliver til elektricitet, mens resten enten går til spilde eller udnyttes som fjernvarme.
Det, der principielt adskiller kraftværker fra hinanden, er hvilket brændsel, der benyttes. Historisk har mange kraftværker brugt kul som brændsel. Kul findes i store mængder på Jorden og er let at håndtere. På andre kraftværker afbrændes naturgas eller olie. Fælles for alle kraftværker med kemisk forbrænding er, at et af restprodukterne af forbrændingen er CO2. CO2-partikler i Jordens atmosfære er medvirkende til, at Jorden i dag er ved at blive opvarmet til et kritisk niveau. Det er derfor ikke bæredygtigt at basere den fremtidige energiforsyning på fossile brændstoffer.
Den frigjorte energi i et kraftværk behøver ikke stamme fra kemisk forbrænding. På atomkraftværker frigives der store mængder energi, ved at tunge grundstoffer såsom uran spaltes i såkaldte fissionsprocesser. Til sammenligning er konceptet for et fusionskraftværk, at energi frigives, ved at atomer "smelter sammen" – altså de fusionerer.