在能源方面的应用
核能的应用最先是体现在国防方面。原子弹和氢弹，以及为核武器研究和制造提供技术和材料的各种反应堆、加速器，体现了核技术应用的最尖端技术水平。
在民用能源方面，核能也发挥巨大作用。例如利用重核裂变会放出巨大能量，建造核电站、空间堆电源、核供热堆及用于船舶或潜艇的核动力装置等，这也是裂变能实际应用的主要方向。利用放射性核素衰变时放出的能量做成电池，广泛用于宇宙探测器，人造卫星、心胜起搏器等。用核技术研发的核电池或放射性同位素电池(如238Pu电池)，其特点是不需外界能源，小巧紧凑，使用寿命长，是目前人类进行深空探索唯一可用的一种能源。
核技术在能源方面的运用，也使其在解决人类面临的能源危机问题中的作用日益明显。通过选用新堆型,提高安全性和降低建设造价， 核能发电的贡献将不断增大，这对缓解世界能源危机无疑是一个重大的贡献。21世纪，人类对能源的需求将急剧增加,通过受控核聚变技术研究,采用D，3He(氦-3)等为原料的核聚变释放的大量能量将成为人类最终解决能源危机的主要途径。
在工业领域中的应用
核技术在工业中的应用主要体现为生产过程中的分析检测、辐射加工、同位素示踪等。
放射性核素放出的射线，可作为获取工业过程中控制参数和其他信息的一种信息源，采用这种原理而集成的各种同位素监控仪器仪表，如测厚仪、核子秤、射线探伤机、集装箱检测系统、离子感烟火灾报警器等可用于监控生产流程， 实现无损检测或成分分析,探知火情等，是工业过程控制和自动化监测的重要组成部分。
近年来,一些国家研制开发的60Co(钴-60)集装箱CT检测系统、中子成像检测系统,以及基于核技术研制的爆炸物检测装置、高能电子束消毒灭菌系统、放射性物品监测装置等，都是核技术应用的最新成果，为打击走私、反恐等提供了有力的手段，在维护人身财产和保障国家安全方面发挥着越来越重要的作用。
辐射加工是核技术工业应用的重要体现,已在交联线缆、热缩材料、橡胶硫化、高分子电阻正温度系数(PTC)器件、医疗用品消毒灭菌、食品辐照保藏以及废水、废气处理等领域取得显著成效,形成产业规模。我国的辐射加工产品有20多类300多种，形成了热收缩材料、辐射交联电线电缆和辐射乳液聚合三大支柱产品。
医疗用品消毒灭菌成为大批量医疗用品消毒的主要方式,可应用辐射灭菌的医疗用品包括金属制品、塑料制品以及一次性使用的高分子材料医疗用品等上千种，中西药与化妆品也都可以采用辐射灭菌。
在农业领域中的应用
在农业领域中，核技术应用主要包括辐射育种和辐射不育防治虫害两个方面。
辐射育种技术是利用了等射线诱发农作物种子基因突变，获得有价值的新突变体，进而培育出农作物的优良品种。这种通过电离辐射(包括利用外太空的宇宙射线)诱使农作物遗传物质发生改变，改良物种或创造出新品种的育种方式较之于其他育种方式，具有提高突变率与扩大变异谱、打断性状的紧密连锁实现基因重排、变异稳定快、育种年限短、增强抗逆性和提高作物品质等诸多特点。我国辐射突变育种的成就突出，培育的新品种约占世界培育农作物新品种总数的四分之一，特别是在粮、棉、油等作物新品种的推广应用上取得了显著的增产效果。
辐射昆虫不育是一种先进的生物防治方法。它利用γ等射线对有害昆虫进行适当辐射剂量的照射，使其丧失生殖能力，不仅达到防治移至根除害虫的目的，还避免了因使用农药所造成的环境污染。采用昆虫的辐射不育技术代替农药来控制病虫害的生长，将极大地抑制因病虫害导致的粮食减产，并大大避免因大量使用农药所带来的环境污染。
另外，利用核素示踪与相关技术结合，研究农药、肥料的合理施用和防治环境污染，检测水土流失、草场退化、荒漠化等区域性环境变化，开发新型动物饲料、疫苗和疾病诊断药盒和改进家畜优化和繁殖等，对农业的发展起到了极大的促进作用。
在医学领域中的应用
医学和生命科学是核技术应用最活跃的领域，包括核医学诊断、治疗及生命科学研究等方面。
核技术用于人体疾病诊断主要采用辐射源(大多用X射线)和放射性核素，其中放射性核素诊断的应用最广。放射性核素的临床诊断可分为体内显像和体外诊断，是基于放射性示踪原理对患者进行疾病检查的一种诊断方式。体内显像是将放射性药物引人体内，用仪器进行脏器显像或功能测定，目前已由单一的SPECT、PET诊断发展到将SPECT或PET与核磁共振(MRI)或CT结合的融合显像技术。体外诊断是采用放射免疫分析(RIA)方法，在体外对患者体液中生物活性物质进行微量分析。
核技术用于疾病治疗是利用了电离辐射对病变组织细胞的杀灭作用，可分为体外放射治疗和体内放射性药物或放射源治疗两种方式。目前，体外放射治疗是治疗癌症三大有效手段之一，可分为外部远距离照射、腔内后装近程照射、间质短程照射和内介人照射等，大都采用γ射线或高能电子作为外用外用辐射源。体内放射性治疗是将放射性药物或注射源注入或置入体内进行治疗，多年来一直受临床医学的关注。放射免疫的靶向治疗、受体介导的靶向治疗、放射性核素基因治疗以及放射性核素微粒肿瘤组织间定向置入治疗等，将会成为恶性肿瘤治疗的主要手段，在某些方面可优于外照射治疗。
当今核医学已进入分子核医学时代，在受体、基因、抗原、酶、神经传导物质和各种生物活性物质的研究中，核技术发挥着其他技术不可取代的重要作用;心脏核医学科和神经传导核医学更加受到医学界的重视;在与其他显象技术和治疗方法的竞争中，核医学显像正从脏器灌注显像向分子核医学功能显像方面发展。
在环境领域中的应用
核技术在环境领域中的应用主要涉及三废治理，包括利用加速器电子辐照的方法净化燃煤烟气，利用射线和电子射线等处理废水和难降解有机废物等。
利用辐射处理废水和其他生物废弃物的方法与传统的填埋、投海、焚烧等处理方法相比有显著的优点，其最显著的特点是不会对环境造成二次污染。
利用加速器电子辐照法净化燃煤烟气，使燃煤电厂排放的可对大气造成严重污染的SO2和NOx，在电子束辐照下同烟中的H20、02等发生氧化反应生成H2SO4和HN03， 进一步与注入反应器中的NH3反应生成可以直接用作化肥的硫酸铵和硝酸铵副产物。该方法的优点在于高效率的同时脱除SO2和NOX、无二次污染、无需废水处理、副产物可回收利用，是目前唯一能同时处理硫、氮两种污染物的技术。
目前，日本、美国、德国、俄罗斯、波兰等国已有20余座不同规模的烟气脱硫脱硝装置在运行。利用具有很强穿透力或电离作用的γ射线和电子射线照射大气、废水、污泥，使其发生一系列物理、化学、生物反应，破坏微生物的核酸酶或蛋白质，达到消毒灭菌的目的。辐射技术在处理城市污水、污泥方面具有处理费用低、周期短、效果好的特点。
利用辐射技术处理工业有机废水，通过辐照作用使水中产生活性物质(如0H基等)，这些活性物质可氧化和分解水中的一些有机污染物，降低、甚至可彻底解决工业废水的污染。采用辐射技术处理后的污泥仍保持有其原来的养分，可作为肥料直接施用于农田，或者制成堆肥，应用前景广阔。
此外，核技术作为强有力的工具广泛用于科学研究中，包括基础科学、生命科学以及其他学科中，用放射性核素和电离辐射提供多种分析和实验研究手段，使人们的视野从宏观推向微观，从而有可能从分子、原子、原子核水平动态地观察到自然现象。
