Una reacción nuclear en cadena es una reacción nuclear que se sostiene en el tiempo al provocar un neutrón la fisión de un átomo fisible, lo cual liberan varios neutrones, que a su vez causan otras fisiones.
Esta reacción en cadena solo se produce si al menos uno de los neutrones emitidos en la fisión es apto para provocar una nueva fisión Las reacciones en cadena involucran al menos dos intermediarios altamente reactivos, los cuales pueden ser átomos o radicales, conocidos como acarreadores de cadena y generalmente tienen ecuaciones cinéticas complicadas con órdenes fraccionarios.
El físico soviético Nikolái Semiónov postuló la teoría de reacción química total en cadena, en 1934.
Este descubrimiento motivó a Albert Einstein a escribir una carta al presidente Franklin D. Roosevelt, en la cual se le advertía de la posibilidad de que la Alemania nazi estuviera intentando construir una bomba atómica.
Dado que las reacciones nucleares en cadena sólo requieren materiales naturales (como agua y uranio), es posible que estas reacciones se produzcan cuando exista una combinación adecuada de materiales de la corteza terrestre.