Hạt nhân nguyên tử là trung tâm của nguyên tử, nơi tập trung gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử. Hạt nhân được cấu tạo từ các proton và neutron, còn gọi chung là nucleon, liên kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh. Số lượng proton trong hạt nhân quyết định nguyên tố hóa học, còn số neutron ảnh hưởng đến đồng vị của nguyên tố đó. Ví dụ, nguyên tử cacbon luôn có sáu proton trong hạt nhân nhưng có thể tồn tại với sáu, bảy hoặc tám neutron, tương ứng là các đồng vị cacbon-12, cacbon-13 và cacbon-14. Kích thước của hạt nhân rất nhỏ so với toàn bộ nguyên tử; nếu nguyên tử được phóng to bằng một sân vận động thì hạt nhân chỉ nhỏ bằng một quả bóng golf.

Trong hạt nhân, lực tương tác giữa các proton và neutron cực kỳ lớn, giúp giữ các thành phần lại với nhau bất chấp lực đẩy tĩnh điện giữa các proton cùng dấu. Tuy nhiên, khi số lượng proton và neutron không cân bằng hoặc quá lớn, hạt nhân trở nên không ổn định và có thể trải qua sự phân rã để chuyển về trạng thái ổn định hơn. Hiện tượng này là cơ sở của phóng xạ tự nhiên và các phản ứng hạt nhân trong công nghệ năng lượng hạt nhân ngày nay. Năng lượng liên kết giữa các nucleon chính là cơ sở cho việc sinh ra năng lượng khổng lồ trong quá trình phân hạch hoặc tổng hợp hạt nhân, ứng dụng trong các nhà máy điện hạt nhân, vũ khí hạt nhân cũng như trong nghiên cứu y học và khoa học vật liệu.

Ngoài vai trò cấu trúc và sinh năng lượng, hạt nhân còn là đối tượng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, góp phần làm sáng tỏ các quy luật cơ bản của tự nhiên. Khám phá về cấu tạo và các phản ứng xảy ra bên trong hạt nhân đã dẫn tới những bước tiến lớn trong hiểu biết về vũ trụ, lịch sử hình thành các nguyên tố và sự tiến hóa sao. Việc kiểm soát và khai thác năng lượng từ hạt nhân đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về tính chất vật lý của nucleon, cơ chế phản ứng và các tiêu chí an toàn nghiêm ngặt. Nhờ đó, nhân loại ngày càng áp dụng hiệu quả nguồn năng lượng hạt nhân trong sản xuất điện, chữa bệnh và nghiên cứu khoa học, đồng thời đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết về quản lý, bảo vệ môi trường và an ninh quốc tế.