核连锁反应（英文：Nuclear chain reaction）是指当发生一个核反应，两个或以上的周边核反应被触动，从而带动其他核反应以指数形式增长。在临界质量的核裂变燃料发生的不受控核连锁反应可释放出巨大能量，是纯核裂变炸弹的威力来源。在核子反应堆中，核连锁反应可通过插入吸收中子的控制棒人工中止，从而用于日常所需的能源。

核连锁反应是指当发生一个核反应，两个或以上的周边核反应被触动，从而带动其他核反应以指数形式增长。在临界质量的核裂变燃料发生的不受控核连锁反应可释放出巨大能量，也是核武的概念，而连锁反应可通过控制，成为日常所需的能源。

唯一已知的自然核连锁反应堆位于西非加蓬的奥克洛（Oklo），该处有一个长达20亿年历史的古老核反应堆。

临界质量（Critical mass）是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。不同的可裂变材料，受核子的性质（如裂变横切面）、物理性质、物料型状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响，而会有不同的临界质量。

刚好可以产生连锁反应的组合，称为已达临界点。比这样更多质量的组合，核反应的速率会以指数增长，称为超临界。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应，这种临界被称为即发临界，是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小，裂变会随时间减少，称之为次临界。

恩里科·费米最先发现超临界组合，不一定同时是超过即发临界。他的发现开展了受控制的连锁反应的研究，后来发展的核子反应堆及核能都是出于这一发现。

天然核反应堆是指在矿层中发现的铀的同位素能够在过去自然发生自持核连锁反应的一种现象。1956年日裔美籍物理学家黑田和夫预言了在某种条件下存在天然核反应堆的可能性。这种现象由法国物理学家弗朗西斯·佩兰（Francis Perrin）于1972年在非洲加蓬的奥克洛发现。发现的天然核反应堆的自然条件与预言非常相似。

奥克洛是目前世界上唯一已知的曾经自然发生自持的核连锁反应的地方，共有16处。从大约20亿年以前开始反应，断断续续反应几十万年，在此期间平均输出功率为100千瓦。