La fiision spontanée est un phénomène extrêmement rare. Par exemple, pour un noyau comme l'uranium-238 la fission spontanée n'intervient qu'une fois sur 2 millions de désintégrations.

La fission est bien plus souvent provoquée par la capture d'un neutron dans un petit nombre de noyaux très lourds, appelés fissiles, fragilisés par un trop grand nombre de nucléons. Ces noyaux très volumineux se scindent alors en noyaux plus stables, libérant de l'énergie.

Le seul noyau fissile naturel est un isotope de l'uranium (U-235), présent en faible proportion (0,7 %) dans les minerais d'uranium. Il existe d'autres noyaux fissiles, mais il faut les produire dans les réacteurs. Il s'agit principalement du plutonium-239 (généré à partir de l'uranium-238) et de l'uranium-233 (généré à partir du thorium-232).

L'arrivée d'un neutron « intrus » de faible énergie dans un noyau fissile génère une excitation qui suffit pour déclencher la fission. Le noyau se déforme, puis se scinde en deux fragments le plus souvent de taille inégale.

L'explosion est accompagnée de l'émission de neutrons qui sont à l'origine de futures fissions.

La fission nucléaire a été découverte en 1938 par Otto Hahn et Lise Meitner, à la veille de la seconde guerre mondiale.

On doit à Hans von Halban, Frédéric Joliot, Lew Kowarski (en France) et à Enrico Fermi (aux États-Unis) la découverte, en 1939, de la réaction en chaîne provoquée par l'émission de neutrons lors de la fission.

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