直接从矿石中提取的铀叫天然铀。它是铀-238、铀-235和铀-234的混合物，其中铀-238占99. 27%（原子），铀-235占0.714%（原子），剩余的是微量的铀-234。

天然铀是生产浓缩铀的原料，也可用于生产钚。石墨水堆和石塞气冷堆用的天然铀燃料是加有少量合金元素的金属铀，重水堆用的天然铀燃料是二氧化铀陶瓷体。

铀的天然同位素组成为：

238u：自然丰度99.275%，原子量238.0508，半衰期4.51X109a

235U：自然丰度0.720%，原子量235.0439，半衰期7.00X108a

234U：自然丰度0.005%，原子量234.0409，半衰期2.47X105a

其中235u是惟一天然可裂变核素，受热中子轰击时吸收一个中子后发生裂变，放出总能量为195MeV，同时放2~3个中子，引发链式核裂变；238U是制取核燃料钚的原料。由于铀-235用于核反应堆和核武器中的裂变，天然铀必须采用同位素分离法浓缩铀-235。浓缩的副产品称为“贫化铀”，含有少于1/3的铀-235和铀-234。

天然铀在地壳中分布广泛，地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5，即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀，这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些，平均每吨含3.5克铀。在地壳的第一层（距地表 20 km）内含铀近 1.3×10^14 吨。依此推算，一立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低，每吨海水平均只含3.3毫克铀，但由于海水总量极大(海水中总含铀量可达 4.5×10^9 吨)，且从水中提取有其方便之处，所以不少国家，特别是那些缺少铀矿资源的国家，正在探索海水提铀的方法。

由于铀的化学性质很活泼，所以自然界不存在游离态的金属铀，它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有一百七十多种，但具有工业开采价值的铀矿只有二、三十种，其中最重要的有沥青铀矿（主要成分为八氧化三铀）)、品质铀矿（主要成分为二氧化铀）、铀石和铀黑等。很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光。正是铀矿物（铀化合物）这种发荧光的特性，才导致了放射性现象的发现。