石墨反应堆是核裂变反应堆中的一种，也是最常用、最早使用的一种。 石墨具有良好的中子减速性能，最早作为减速剂用于原子反应堆中，铀一石墨反应堆是应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点、稳定、耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPm （ PPm 为百万分之一）。

1938年，德国人奥托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和铀原子发生了碰撞。这项实验有着非常重大的意义，它不仅使铀原子简单地发生了分裂，而且裂变后总的质量减少，同时放出能量。尤其重要的是铀原子裂变时，除裂变碎片之外还射出2至3个中子，这个中子又可以引起下一个铀原子的裂变，从而发生连锁反应。

1939年1月，用中子引起铀原子核裂变的消息引起科学家费米的注意，马上就直观地设想了原子反应堆的可能性，开始为它的实现而努力。费米组织了一支研究队伍，对建立原子反应堆问题进行彻底的研究。费米与助手们一起，经常通宵不眠地进行理论计算，思考反应堆的形状设计，有时还要亲自去解决石墨材料的采购问题。

1942年12月2日，费米的研究组人员全体集合在美国芝加哥大学足球场的一个巨大石墨型反应堆前面。这时由费米发出信号，紧接着从那座埋没在石墨之间的7吨铀燃料构成的巨大反应堆里，控制棒缓慢地被拔了出来，随着计数器发出了咔嚓咔嚓的响声，到控制棒上升到一定程度，计数器的声音响成了一片，这说明连锁反应开始了，这是人类第一次释放并控制了原子能的时刻。

将大块的立方体的石墨堆砌起来，将核燃料棒插入其中，然后启动反应堆，这样铀235裂变后放出的快中子就会被石墨减速，然后去撞击新的铀235原子核，于是产生链式反应。

石墨反应堆其它方面与其他核电站原理一样，只是减速剂不同，其中石墨、重水是公认的最好的减速剂，因为此两种反应堆的效率较高。

作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPm （ PPm 为百万分之一）。

在石墨与中子的相互作用下发生的各种过程，如吸收、散射、扩散、反射等所遵循的规律以及中子辐照诱发的石墨性能的各种变化的总称。在原子反应堆内，在强烈的中子辐照下，石墨的物理力学性能、热学性能、电磁学性能均发生不同程度的变化，石墨体的尺寸也有显著的改变。了解这些变化的规律，对石墨反应堆的设计及反应堆的安全运行至关重要。

20世纪40年代之后，各国都相继制订了庞大而详实的规划，对石墨的核性能进行研究，投入了巨大的人力物力，并以国家的力量组织实施，五六十年代达到顶峰，迄今不衰。50年代末，各种研究报告相继解密，公诸于世，世人对石墨的认识大为深入。

关于大量中子在石墨中的平均行为，在石墨中运行的中子所服从的一般规律，即所谓宏观中子物理，是中子与石墨相互作用的基本原理。关于这种平均行为和一般规律(见石墨的宏观中子物理)。任何核反应过程，常用反应截面来加以定量的描述。石墨对中子的吸收截面、散射截面、宏观截面等见石墨的中子截面。由于历史的原因，中子辐照剂量的单位和表示方法多种多样，常易造成混乱甚至错误。(见中子注量)石墨经中子辐照后，石墨性能发生种种变化，石墨体尺寸亦有所改变，这就是辐照对石墨的作用或对石墨的损伤。对石墨反应堆的设计和运行，了解石墨的辐照损伤至关重要。

1986年4月26日，位于乌克兰切尔诺贝利的切尔诺贝利核电站石墨慢化大功率管式反应堆由于功率剧增而发生熔毁，使大量危险放射性物质被释放到环境中。切尔诺贝利核事故中国际核事件分级表中第一项被分类为第七级（最严重）的事件。

德国于1976年开始运行的石墨慢化AVR反应堆在使用过程中因燃料温度不稳定、局部温度高于最高额定温度，使回路受到严重的放射性同位素（主要为铯-137及锶-90）沾污。该核电站于1988年关闭。

2013年4月2日，朝鲜宣布将重启2007年曾经去功能化和关闭的核设施，朝鲜原子能总局决定调整和变更现有核设施的用途，重新整修和启动位于平壤的5兆瓦石墨减速反应堆，此反应堆能生成含有钚元素的乏燃料棒，是平壤核设施的核心部分，重启石墨减速反应堆意味着朝鲜将可从废弃燃料棒中提取钚。 2007年该反应堆因六方会谈达成的国际核裁军协议被关闭。