目前世界上有大小核反應堆上千座，其分類也是多種多樣的。
若按中子能譜分類，可分為熱中子堆、中能中子堆和快中子堆。快中子堆中，裂變是由快中子（平均能量達0.1MeV左右）引起的，因此堆內不能存有中子慢化劑材料。世界各已開發國家對這種堆型都給予了極大的關注。在中能中子堆中存有一定數量的慢化劑，裂變主要是由中能中子引起的。在快中子堆或中能中子堆中，堆內都必須使用高富集度的核燃料。熱中子堆中裂變是由熱中子引起的，因此堆內必須有足夠的慢化劑。天然鈾、低富集鈾燃料、 U、 Pu都可用作熱中子堆的核燃料。世界上已建的堆絕大多數屬於這種類型。
核反應堆內的冷卻劑是載帶堆內產生的核裂變能到堆外熱力系統的工作介質。核反應堆的熱工水力學性質主要取決於選用的冷卻劑，所以從核反應堆熱工水力學的角度常常按照冷卻劑來劃分核反應堆的類型。按冷卻劑的種類可以分為氣冷堆、液體冷卻堆和液態金屬冷卻堆。氣冷反應堆包括CO冷卻和He氣冷卻反應堆；液體冷卻反應堆主要包括輕水冷卻的壓水堆和沸水堆，以及重水冷卻的重水反應堆，還可以用有機化合物冷卻的液體冷卻堆；液態金屬冷卻的反應堆主要有鈉、鈉-鉀合金、鉍冷、鋰冷、鉛鉍合金等冷卻的反應堆。
若按核反應堆的用途分類，大致分為生產堆、研究用反應堆和動力堆三大類。生產堆主要是生產新的易裂變核素 U、 Pu和各種不同用途的同位素；研究用反應堆用來研究中子特性，進而對物理學、生物學、輻照防護學以及材料學等方面進行研究；動力堆軍用動力堆和民用動力堆。核動力航空母艦、核潛艇、核動力巡洋艦等都可歸為軍用動力堆的範疇。而核動力廠、民用核動力船、航天核動力推動裝置、核動力水下潛器和水下工作站等則歸為民用動力堆。此外，還有特殊用途的反應堆，有通常所稱的供熱堆，用於不同目的的供熱，如建築群供暖、石油熱采等；有用核能進行海水淡化、大規模製冷、制氫、煤的液化或氣化、高溫工藝供熱等的各種堆，可分別稱為海水淡化堆、制氫堆等。
若按核反應的形式分類，可分為裂變反應堆、聚變反應堆和裂變聚變混合堆。
核反應堆內的慢化劑是使中子減速而從中子變為熱中子的物質。慢化劑對熱中子堆的物理性能有顯著影響，所以常常按照採用慢化劑的種類來進行反應堆的分類，如輕水堆、重水堆、石墨慢化反應堆和鈹或鈹化合物堆等。重水（DO）是所有慢化劑中中子吸收最弱的材料，但它的慢化能力卻很好，因此重水堆可用天然鈾作核燃料。現在大量建造的壓水堆、沸水堆，都是用輕水堆（HO）作為慢化劑。輕水中所含氫的原子核是慢化能力最強的原子核。輕水作慢化劑的反應堆，其單位體積可產生的發熱功率（功率密度）很高，特別適用於核動力艦船。
通常按照核燃料中 U等易裂變核素的加濃程度即富集度進行分類，把反應堆分成天然鈾燃料堆、低富集鈾燃料堆、高富集鈾燃料堆幾種類型。還有利用釷資源的釷增殖堆。
