Phản ứng phân hạch (nuclear fission reaction) là một phản ứng hạt nhân (hoặc quá trình phân rã phóng xạ), trong đó hạt nhân của một nguyên tử phân tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhỏ hơn (gọi là mãnh vở), có khối lượng nhẹ hơn. Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động, chẳng hạn như sự tác động của notron tự do. Quá trình phân hạch tạo ra các photon gamma và giải phóng một năng lượng rất lớn.