鈾原子核是鈾原子的中心。它含有92個質子，而在最常見的鈾-238中，還有146個中子。它的直徑大約是12飛米，這個數字是電荷半徑（電荷分布的平均半徑）的兩倍。一飛米是一公尺的千兆分之一（10⁻¹⁵公尺）。

大小

原子核沒有明確的邊界，因此它的大小是以電荷半徑表示。對於鈾-238，國際原子能總署（IAEA）所整理的原子核半徑表列出的數值是5.857飛米，準確度優於0.1%。這使得原子核直徑為11.7飛米。少了三個中子的鈾-235，則略小一些，直徑為11.67飛米。

鈾原子核的中子數遠多於質子數。質子之間會因電荷而互相排斥，而所有的質子和中子則會透過強核力吸引鄰近的粒子。在重原子核中，需要額外的中子，才能防止電荷的排斥力把原子核撐破。

大小比較

鈾-238具有放射性，但它的衰變速度極為緩慢。它的半衰期，也就是讓一份樣本有一半發生衰變所需的時間，長達44.7億年。地球的年齡大約是45.4億年，因此地球形成之初所含有的鈾-238，如今大約還剩下一半。

鈾-238會放出一顆α粒子（也就是氦原子核）而發生衰變，接著再經過一連串的衰變，最終變成鉛-206。地質學家利用這條衰變鏈，以及從鈾-235開始的類似衰變鏈，來測定岩石乃至地球本身的年齡。

鈾-235大約占天然鈾的0.72%。它的原子核在受到中子撞擊時，很容易分裂。每一次分裂都會釋放能量並產生更多中子，這些中子又能繼續分裂其他原子核，形成連鎖反應。美國的核能發電廠會控制這種連鎖反應，利用濃縮到含3%至5%鈾-235的燃料來產生熱能以發電。