Alle Kraftwerke, vom Vor-Ort-Generator bis hin zu großen regionalen Anbietern, arbeiten im Wesentlichen, indem sie eine diffuse Energie konzentrieren, anstatt sie zu ernten. Energie aus Wärme gehört oft zu den am leichtesten zu konzentrierenden. Ein fossil befeuertes Kraftwerk erzeugt diese Wärme durch die Verbrennung von Öl, Erdgas oder Kohle.
Am häufigsten wird ein Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen durch Dampferzeugung betrieben. Kohle, Erdgas oder Erdöl werden verbrannt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Der Dampf wird dann über die Schaufeln einer Turbine gedrückt, wodurch sich der daran befestigte Rotor dreht. Der sich drehende Rotor treibt einen Generator an, der Strom erzeugt, der geerntet werden kann. Diese Anlagen gewinnen typischerweise etwa ein Drittel der thermischen Energie des brennenden Brennstoffs zurück.
Seltener kann ein fossil befeuertes Kraftwerk durch direktes Verbrennen des Brennstoffs betrieben werden. In diesen Fällen dreht die durch den Verbrennungsprozess erzeugte heiße Luft die Turbine. Diese Anlagen haben den Vorteil, dass sie schneller hoch- und heruntergefahren werden können. Der reduzierte Wasserverbrauch mildert auch Umweltschäden. Negativ ist, dass diese Anlagen weniger effizient sind als dampfbetriebene Einheiten.
Kohle bleibt die beliebte Wahl für ein fossil befeuertes Kraftwerk. In den Vereinigten Staaten stammen etwa 50 Prozent des gesamten Stroms aus Kohlekraftwerken. Andere Länder wie Südafrika und Polen sind noch stärker auf Kohle angewiesen, über 90 Prozent des gesamten Stroms stammen aus dem Brennstoff.
Kohlekraftwerke sind aus vielen Gründen reichlich vorhanden. In den meisten Gebieten ist Kohle der mit Abstand am leichtesten verfügbare Brennstoff. Dies macht es oft auch die kostengünstigste Option. Darüber hinaus wurden Kohlekraftwerke am frühesten gebaut, und die meisten sind noch in Betrieb. Oftmals ist der Bau einer teuren neuen Anlage als Ersatz für eine noch in Betrieb befindliche Anlage wirtschaftlich nicht machbar.
An zweiter Stelle unter den fossilen Brennstoffen steht Erdgas. In bestimmten Gebieten ist Erdgas fast so reichlich vorhanden wie Kohle und im Durchschnitt vergleichbar. Gas wiegt weniger als andere fossile Brennstoffe und ist oft einfacher und kostengünstiger zu transportieren. In Notsituationen kann der Erdgasfluss in der Regel sofort gestoppt werden. Schließlich verbrennt Erdgas sauberer als Öl oder Kohle und wird daher weitgehend als umweltverträglichere Wahl zur Reduzierung der Luftverschmutzung angesehen.
Ein Erdölkraftwerk mit fossilen Brennstoffen arbeitet mit der Verbrennung von Rohöl. Obwohl diese Kraftwerke weniger als 10 Prozent der in nordamerikanischen Ländern produzierten Elektrizität ausmachen, sind sie die natürliche Wahl für Gebiete, in denen es mehr Öl gibt. Manchmal können sehr kleine Kraftwerke an einem Verbrennungsmodell arbeiten, das einem Automotor sehr ähnlich ist. In diesen Fällen ist Erdöl die logischste Wahl.