Trong một phản ứng hạt nhân, sự bảo toàn các đại lượng vật lý là nguyên tắc cơ bản giúp các nhà khoa học hiểu rõ quá trình biến đổi giữa các hạt nhân. Đầu tiên, định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng (được mô tả bởi phương trình nổi tiếng của Einstein: E=mc²) khẳng định rằng tổng khối lượng và năng lượng của hệ luôn được giữ nguyên; khi một hạt nhân phân rã hoặc kết hợp, phần chênh lệch khối lượng được chuyển hóa thành năng lượng giải phóng ra ngoài dưới dạng tia gamma, neutron hoặc các hạt sơ cấp khác. Ví dụ điển hình là phản ứng tổng hợp và phân hạch hạt nhân, nơi mà một phần khối lượng các hạt nhân tham gia sẽ chuyển thành năng lượng tỏa ra.

Bên cạnh đó, sự bảo toàn số proton và số neutron, hay còn gọi là bảo toàn điện tích và bảo toàn số nucleon, đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán các sản phẩm của phản ứng hạt nhân. Trong mọi quá trình như phân rã beta, phân hạch uranium, hay tổng hợp hydro tạo thành heli ở mặt trời, tổng số proton và neutron trước và sau phản ứng luôn bằng nhau, mặc dù chúng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Quy tắc này giúp các nhà vật lý xác định các hạt sinh ra sau phản ứng và hiểu về chuỗi phân rã phóng xạ, ngăn không cho xuất hiện những trạng thái vi phạm các quy tắc tự nhiên đã được chứng minh thực nghiệm.

Ngoài ra, bảo toàn động lượng và bảo toàn spin (moment động lượng riêng) cũng là hai nguyên tắc không thể bỏ qua trong quá trình nghiên cứu phản ứng hạt nhân. Mọi tương tác giữa các hạt nhân đều tuân thủ nguyên lý bảo toàn động lượng, ngay cả khi phát sinh các hạt mới hoặc năng lượng bức xạ ra ngoài. Điều này là nền tảng cho việc phân tích động học của phản ứng, đánh giá các sản phẩm phát ra và xác định hướng di chuyển của chúng. Sự bảo toàn spin thường hiện diện trong các phản ứng đặc biệt như phân rã alpha, beta hay gamma, giúp miêu tả chi tiết tính chất của các trạng thái hạt nhân trước và sau phản ứng, từ đó mở rộng hiểu biết về cấu trúc và năng lượng của vật chất.