L'uranium est l'élément primordial le plus lourd de la nature et, à ce jour, le seul métal combustible nucléaire déployé à grande échelle commerciale. Son utilisation centrale est comme combustible des centrales nucléaires : environ 0,7 % de l'uranium naturel est de l'uranium 235 fissile, qui est enrichi par centrifugation gazeuse jusqu'à environ 3 %–5 %, mis en pastilles de dioxyde d'uranium et chargé dans des assemblages combustibles qui produisent une électricité de base à faible émission de carbone dans des centaines de réacteurs à travers le monde, fournissant une part substantielle du réseau. Dans le domaine militaire, l'uranium 235 ou le plutonium 239 produit en réacteur est le matériau de cœur des armes nucléaires, un usage qui a impulsé la construction d'industries à grande échelle d'enrichissement de l'uranium et de retraitement pendant la guerre froide. L'« uranium appauvri » resté après enrichissement (dont la teneur en uranium 235 est inférieure à celle de l'uranium naturel) reste radioactif, mais sa très haute densité et ses bonnes propriétés mécaniques l'ont rendu utile comme lest pour avions et hélicoptères, comme lest de navire, comme matériau de blindage dans les appareils de radiothérapie et comme noyaux de pénétration dans les munitions antichars des chars ; ce dernier usage est controversé et restreint dans plusieurs pays. L'uranium a aussi un usage historique non nucléaire : de petites quantités d'oxyde d'uranium ajoutées au bain de verre produisent du « verre à l'uranium », qui fluoresce en jaune-vert et a été largement utilisé du XIXe siècle au début du XXe siècle dans les verreries décoratives, les vases et les articles de table. La production a cessé il y a longtemps, et de telles pièces forment aujourd'hui une catégorie spécialisée sur le marché des collectionneurs.
Le dioxyde d'uranium (UO2) est la principale forme des pastilles de combustible nucléaire et, après frittage, sert pendant de longues périodes dans les cœurs des réacteurs. L'octotrioxyde d'uranium (U3O8) est la forme oxyde la plus commune dans les minerais d'uranium naturels (pechblende) et est le principal composant du « yellowcake », le produit dans lequel les concentrés de minerai d'uranium sont convertis avant le transport et le commerce. L'hexafluorure d'uranium (UF6) sublime dès environ 56 °C et est le seul composé d'uranium commodément gazeux utilisé dans l'enrichissement par centrifugation gazeuse ; l'UF6 enrichi est ensuite reconverti en combustible de dioxyde d'uranium. Le nitrate d'uranyle (UO2(NO3)2) est le produit clé des schémas d'extraction dans le broyage du minerai d'uranium et le traitement en amont du combustible : l'uranium est extrait et purifié de la liqueur de lixiviation sous forme de nitrate d'uranyle puis converti ultérieurement en oxydes. D'autres composés de l'uranium ont été utilisés historiquement comme colorants dans le verre et la céramique, mais ils ont aujourd'hui en grande partie disparu de l'usage domestique.
