核链式反应（英文：Nuclear chain reaction），又称链式反应，是当发生一个核反应，两个或以上的周边核反应被触动，从而带动其他核反应以指数形式增长。1933年由核物理学家利奥·西拉德构想提出。

在临界质量的核裂变燃料发生的不受控核链式反应可释放出巨大能量，也是核武的概念，而链式反应可通过控制，成为日常所需的能源。

唯一已知的自然核链式反应堆位于西非加蓬共和国的奥克洛（Oklo），该处有一个长达20亿年历史的古老核反应堆。

1933年，链式反应的设想最初由核物理学家利奥·西拉德构想提出。

1942年12月2日，美国曼哈顿计划期间，恩里科·费米领导小组在美国芝加哥大学建立了人类第一台可控核反应堆（芝加哥1号堆），成功产生了可控的核链式反应。