用化学方法或化学与物理相结合的方法研究原子核及核反应的学科。
核化学起始于1898年M.居里和P.居里对钋和镭的分离和鉴定。后来30年左右的时间内，通过大量化学上的分离和鉴定，以及物理上探测α、β和γ射线等技术的发展，确定了铀、钍和锕的三个天然放射性衰变系，指数衰变定律，母子体生长衰变性质，明确了一个元素可能具有不止一个核素的同位素概念，以及同一核素的不同能态（例如UZ和UX2的同质异能素）等事实。此外，还陆续找到了其他十几种天然放射性元素。
1919年E.卢瑟福等发现由天然放射性核素发射的α粒子引起的原子核反应，导致1934年F.约里奥－居里和I.约里奥－居里制备出第一个人工放射性核素磷30。由于中子的发现和粒子加速器的发展，通过核反应产生的人工放射性核素的数目逐年增加，而1938年哈恩等发现原子核裂变更加速了这种趋势，并且为后来的核能利用开辟了道路。此外，核谱学（包括α、β、γ和X射线谱学）的工作也有相应的发展。由于粒子加速器、反应堆、各种类型的探测器和分析器、质谱仪、同位素分离器及计算机技术等的发展，核化学研究的范围和成果还在继续扩展和增加，如质量大于氦核的重离子引起的深度非弹性散射反应研究，107、108、109号元素的合成，双质子放射性和碳放射性的发现等。另外，核化学与核技术应用于化学、生物学、医学、地学、天文学和环境科学等方面，已取得了令人瞩目的进展。
研究范围主要研究核性质、核结构、核转变的规律以及核转变的化学效应、奇特原子化学，同时还包括有关研究成果在各个领域的应用。核化学、放射化学和核物理，在内容上既有区别却又紧密地联系和交织在一起。
核性质核有不稳定和稳定之分，前者又称放射性核，放射性核经过衰变（如发射氦核、电子、光子、中子或质子，俘获电子和自发裂变等）最终成为稳定核。任何衰变过程必须遵从能量守恒、动量守恒、角动量守恒和量子力学方面的一些规则。核的不稳定性有程度上的差别，它表现为寿命或半衰期的长短，寿命越短，不稳定性越高，反之亦然。
除了衰变方式和稳定性外，核的其他性质有电荷、质量（包括能量）、半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称和统计性质等。另外，核不仅可处于相对稳定的基态，还可以处于能量稍高的激发态。处于激发态的核也有以上各种性质，一般以发射光子的方式到达基态。核性质反映了核的结构，通过对核性质的研究，可以更深入地认识原子核的本质。
核转变包括原子核在其他原子核或粒子作用下发生的各种变化（即核反应）和不稳定的原子核自发发生的核衰变。核反应是取得新核的主要途径。
反应堆产生的中子引起的核反应是新核的一个重要来源，它主要包括中子俘获反应和中子裂变反应。这些反应产生的裂片核（包括目前尚未发现的新核）都处于β稳定线的丰中子的一面，并以发射电子（或随后再发射一个中子，称缓发中子）的方式衰变。
新核还可以用各类加速器所产生的不同能量的离子（氢一直到铀）和电子以及由核反应所产生的次级粒子（如快中子、光子、π介子和μ子等）轰击各种靶核来产生。根据轰击粒子的不同可将核反应分为中子核反应、带电粒子核反应、光核反应和重离子核反应等。按轰击粒子的能量又可将它们分为高、中和低能核反应。目前每个核子的能量高于1010电子伏的粒子称为高能粒子，108～1010电子伏的为中能粒子，108电子伏以下的为低能粒子。但是，这类规定并不绝对，对于各种轰击粒子如重离子、电子和次级粒子，能量高低的含义有所不同。这些由加速器产生的核多处于β稳定线缺中子的一面，并以发射正电子（或随后再发射一个质子，称缓发质子）、俘获电子或发射质子的方式衰变。
根据以上两种途径，已找到2000多种不稳定核素，但仍有很多尚待发现。它们的寿命极短，需要产物核的快速传输、快速化学分离和在线（指在产物核产生的同时）同位素分离（原理同质谱仪）技术才能鉴定它们。重离子核反应是发现新元素的主要途径（见重离子核化学）。
此外，对核反应的研究还包括测量各种核反应截面及其与轰击粒子的能量的关系（称激发函数），测量出射粒子和产物核的质量、电荷、能量和角度（方向）的分布情况，并由此探索核反应的机理。这是深入了解核力和核子在核内运动和相互作用规律的重要方法。
核转变的化学效应即热原子化学。在核转变中，产物核由于动量守恒获得反冲动能，这一能量足以使起始核所属原子与周围原子之间的化学键断裂，从而形成脱离原来分子的具有一定动能的热原子。在核衰变中，有时会因电子震脱或空穴级联而引起化学变化。核转变过程中产生的热原子与周围介质之间所起的化学变化就是热原子化学研究的内容。
奇特原子化学普通原子中的电子或质子被其他基本粒子代替后形成奇特原子，如正电子素和μ子素等。奇特原子化学主要研究化学环境对奇特原子的影响，并利用奇特原子来研究物质结构和化学反应。
特点核化学研究中所用的化学操作和分离技术与一般化学分析中所用的有所不同，这主要在于前者着重速度快和放射性纯度高，一般回收率在20％～50％即可。对半衰期极短的核素，为了争取速度而允许回收率低于20％。原则上，一般化学分析中的分离方法都可用于核化学研究，但对半衰期短的核素，需采取热色谱、反冲技术等快速分离步骤。放射性纯度是指最终产品中放射性杂质与待测放射性核素之间的相对含量。放射性杂质的相对含量越低，则放射性纯度越高。只要不影响回收率的测定，对化学纯度的要求不高。
一般样品中放射性物质的质量极微，为了测定回收率和便于纯化，常须加入一定量（如10～20毫克）的待测核素的稳定同位素作为载体。另外，为了提高产品的放射性纯度有时需要加入杂质元素作为反载体和采用清除剂，进行反复沉淀以提高产品的放射性纯度。为了制备高比活度的或无稳定同位素的产品，必须采用化学性质相似的非同位素载体，并在最后的分离步骤中将它们除去。在定量测定方面，核化学研究中采用放射性测量。样品的制备，特别是面密度低于100微克/厘米2的极薄样品的制备，以及各种计数技术的设计使用至关重要。
应用核化学研究成果已广泛应用于各个领域。例如利用测定由中子俘获A（n，γ）B反应的中子活化分析，可较准确地测定样品中50种以上元素的含量，并且灵敏度一般很高；该法已广泛应用于材料科学、环境科学、生物学、医学、地学、宇宙化学、考古学和法医学等领域。一些短寿命（特别是发射正电子）核素的放射性标记化合物广泛应用于医学。热原子化学方法可用于制备某些标记化合物。正电子湮没技术已用于材料科学及化学动力学等方面的研究。