Atomenergie bezeichnet die bei Atomkernreaktionen freigesetzte Energie, die sowohl militärisch (Atomwaffen) als auch zivil genutzt werden kann. Die kernphysikalische Forschung in der Schweiz – insbesondere von Paul Scherrer am Physikalischen Institut der ETH Zürich (Neutronenprozesse als Träger von Kettenreaktionen) sowie von Paul Huber und Werner Kuhn an der Universität Basel (Massenspektrometrie, Isotopentrennung) – erreichte seit den 1930er Jahren international hohes Ansehen.
Am 5. November 1945 berief das Eidgenössische Militärdepartement eine Studienkommission für Atomenergie unter dem Vorsitz von Paul Scherrer. 1953-1955 beschaffte die Kriegstechnische Abteilung in einem Dreiecksgeschäft mit dem Belgisch-Kongo von Grossbritannien 10 t "für Verteidigungszwecke" frei gegebenes metallisches Uran. Der Bund lieh davon 5 t der 1955 von 125 Firmen in Würenlingen gegründeten, hoch subventionierten Reaktor AG unter Verwaltungsratspräsident Walter E. Boveri von der BBC. Die anderen 5 t gingen als Kriegsreserve in einen EMD-Stollen im Alpenmassiv. Der Reaktor AG diente das Uran zusammen mit den 1958 aus Kanada bezogenen Brennelementen als Basis für den 1960 in Betrieb genommenen Schwerwasser-Natururan-Forschungsreaktor Diorit. 12 Mio. der zuerst auf 20 Mio. Franken veranschlagten Gesamtkosten wurden für die Herstellung der ersten 12 t schweren Wassers durch die Lonza AG und die Hovag (Vorgängerin der Ems-Chemie) bereitgestellt, wozu die Sulzer AG die Destillationsanlagen entwickelte. Der Bund kaufte zudem für die Reaktor AG 1955 für nur 770'000 Fr. den Swimming-Pool-Forschungsreaktor Saphir. Die USA hatten ihn im selben Jahr an der UNO-Konferenz Atome für den Frieden in Genf ausgestellt. Sie liehen der Schweiz zum Betrieb 6 kg hoch angereichertes Uran. Diorit repräsentierte den teureren, der nationalen Unabhängigkeit verpflichteten, militärisch nutzbaren Reaktorpfad. Saphir war ein Forschungsreaktor und als sogenannter Schwimmbadreaktor für den Bau von Atomkraftwerken und Atomwaffen uninteressant. 1956 boten die USA der Reaktor AG schweres Wasser zu einem Viertel des Preises von Lonza und Hovag an, so dass die Reaktor AG die Lieferverträge teilweise kündigte. Bis 1959 steckte der Bund 45 Mio., die Privatwirtschaft 18,2 Mio. Franken in die Reaktor AG. Infolge schlechter Kostenschätzung und fehlender Investitionsbereitschaft der Privatindustrie übertrug die Reaktor AG die Anlagen in Würenlingen als Institut für Reaktorforschung (seit 1988 Paul Scherrer Institut) an den Bund. Überwiegend vom Bund finanziert, baute die 1961 gegründete, von Sulzer dominierte "Nationale Gesellschaft zur Förderung der industriellen Atomtechnik" in Lucens einen Natururan-Schwerwasser-Versuchsreaktor, der mit leicht angereichertem Uran betrieben wurde. Er ging 1968 in Betrieb, wurde aber 1969 durch das Durchschmelzen der Kernbrennstäbe zerstört.
Die schweizerische Elektrizitätswirtschaft verhielt sich bis 1964 gegenüber der Atomenergie zurückhaltend, da sie den Ausbau der Wasserkraft-Nutzung bevorzugte. Anfang 1964 entschieden die Nordostschweizerischen Kraftwerke AG (NOK) in Baden, im aargauischen Beznau (Gemeinde Döttingen) einen Druckwasserreaktor der US-Firma Westinghouse zu errichten. Im Frühjahr 1964 folgten die Bernischen Kraftwerke AG (BKW) mit dem Plan, in Mühleberg einen US-Siedewasserreaktor von General Electric zu erstellen. Kurz vor Jahresende zog die Elektrowatt nach, indem sie sich bei Leibstadt das Land für ein weiteres Leichtwasser-Reaktorprojekt sicherte, das gemeinsam mit den Rheinisch-Westfälischen Elektrizitätswerken (RWE), der grössten deutschen Elektrizitätsgesellschaft, realisiert werden sollte. Es folgten die Atomkraftwerk-Projekte Verbois (1965), Kaiseraugst (1965), Beznau II (1967), Graben (1968), Gösgen (1969), Rüthi (1971) und Inwil (LU, 1972). Verwirklicht wurden Beznau I und II (je 350 MW, Inbetriebnahme 1969 und 1972), Mühleberg (320 MW, 1972), Gösgen (920/940 MW, 1979) und Leibstadt (990 MW, 1984). Sie lieferten 1970 5,5%, 1975 18%, 1980 29% und ab 1985 40% der schweizerischen Elektrizitätserzeugung (Energiepolitik) und beschäftigten im Jahr 2007 gegen 1800 Personen.
Politisch war die Atomenergie zuerst nur wegen ihrer militärischen Nutzbarkeit umstritten. Ende der 1960er Jahre bildete sich auch gegen Atomkraftwerke Opposition (Antiatombewegung). Anstelle des zuerst diskutierten staatlichen Atommonopols kam 1957 mit Artikel 24quinquies der Bundesverfassung und 1959 mit dem Bundesgesetz über die friedliche Verwendung der Atomenergie und den Strahlenschutz (Atomgesetz) eine Bundesaufsicht über den privatwirtschaftlichen Bau und Betrieb von Atomanlagen. 1978 verschärfte ein Bundesbeschluss die Vorschriften des Atomgesetzes über die Entsorgung der radioaktiven Abfälle, ein Problem, an dem die 1972 gegründete Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) arbeitet, das aber ungelöst blieb. 1983 trat ein Kernenergiehaftpflichtgesetz in Kraft. 1990 nahm das Volk eine Initiative für ein zehnjähriges Moratorium zur Errichtung neuer Atomanlagen an. Eine weitere Volksinitative für die Verlängerung dieses Atomkraftwerk-Baustopps und die Begrenzung des Atomrisikos wurde 2003 abgelehnt. Da der Stromkonsum in der Schweiz kontinuierlich wuchs, 2020 drei Atomkraftwerke altershalber stillgelegt werden müssen und Stromimportverträge mit Frankreich schrittweise auslaufen, verlangte die Strombranche 2008 den Bau von neuen Atomkraftwerken und reichte Rahmenbewilligungsgesuche ein.