按提供的电压高低，核电池可分为高压型（几百至几千伏）和低压型（几十毫伏至1伏左右）两类。按能量转换机制，可分为直接转换式和间接转换式。前者包括直接充电式核电池、气体电离式核电池；后者包括辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、热致光电式核电池、温差式核电池、热离子发射式核电池、电磁辐射能量转换核电池和热机转换核电池等。应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。

作为核电池的能量来源，同位素放射源必须满足以下条件：半衰期长（以保证电池的长寿命）、功率密度高、放射性危险小、容易加工、经济和易于屏蔽等。同位素放射源的外层为换能材料，将热能转换成电能。不同种类的核电池的发电机制各有不同，因此所用能量转换材料也不同。直接充电式核电池使用金属作为正负极。气体电离式核电池靠溢出功有差异的材料实现，因此一般使用高溢出功的材料（如铂、氧化铅、钼和金等）及低溢出功的材料（如镁和铝）作为正负极。辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、热致光电式核电池、温差式核电池使用半导体材料作为能量转换材料。核电池的应用环境一般较恶劣，为了防止可能发生的泄漏，必须密封保护。核电池的密封保护包括同位素放射源的包覆、能量转换层外的防辐射层和外壳。密封保护材料主要包括金属合金、碳素材料及陶瓷材料。这些材料一方面能够防止辐射泄漏，另一方面也起到保护电池内部结构和散热的作用。

核电池衰变时放出的能量大小和速度不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此核电池抗干扰性强，工作准确、可靠。此外，同位素衰变时间很长，释放的能量高，因此核电池还具有体积小、重量轻和寿命长的特点。正是由于这些优点，使得核电池被应用于多个领域，如航天航空、医疗器械、深海探测、微型电动器械、电子产品、电动汽车等。