La energía primaria es cualquier energía que existe naturalmente y no ha sido modificada en otra forma por los seres humanos. Los ejemplos de recursos de energía primaria incluyen tanto los recursos renovables, como la energía eólica y solar, como los recursos no renovables, como los combustibles fósiles. Cuando los recursos de energía primaria se procesan en una planta de energía u otra instalación, se transforman en «portadores» o fuentes de energía secundaria. Estos incluyen combustible y energía eléctrica. La energía primaria es un tema pertinente para el análisis estadístico del uso de energía porque determina el suministro de energía disponible para las actividades humanas.
En 2011, las fuentes de energía primaria más utilizadas en todo el mundo eran los combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural. Los combustibles fósiles producen una gran cantidad de energía proporcional a su peso unitario, lo que los convierte actualmente en la opción más eficiente para la producción de energía. Los problemas con los combustibles fósiles incluyen su impacto ambiental (la quema de estos materiales libera una gran cantidad de dióxido de carbono a la atmósfera, que no se puede absorber fácilmente) y el hecho de que no son renovables. Sustancias como el carbón y el petróleo se producen durante millones de años a partir de la descomposición de organismos biológicos. La sociedad humana recurre a los combustibles fósiles a un ritmo mucho mayor de lo que pueden renovarse, lo que hace inevitable la escasez final.
Las fuentes de energía alternativas se han explorado cada vez más como opciones a medida que disminuye el suministro de combustibles fósiles. Los reactores nucleares generan energía a partir del uranio, un recurso energético primario que se encuentra naturalmente en la tierra. Aunque las plantas nucleares pueden generar grandes cantidades de energía a partir de pequeñas cantidades de uranio, la energía nuclear todavía representa solo un pequeño porcentaje de la generación de energía en todo el mundo debido a peligros ambientales y de seguridad, así como a factores políticos. El uranio también constituye técnicamente un recurso no renovable, ya que no se repone en la tierra a un ritmo lo suficientemente alto como para contrarrestar el uso humano.
La energía solar, eólica e hidroeléctrica son ejemplos de tecnologías que se basan en fuentes de energía primaria renovables, fuentes de energía que se reponen constantemente mediante procesos naturales. La biomasa es otro ejemplo. La energía del sol se secuestra en las plantas a través de la fotosíntesis, el proceso bioquímico mediante el cual las plantas convierten la luz solar en energía. Cuando se queman, las plantas liberan esta energía. Los biocombustibles, combustibles sólidos o líquidos refinados de plantas, son productos de energía secundaria que hacen uso de este principio.
A medida que las fuentes de energía primaria, como los combustibles fósiles, se vuelven más difíciles de recolectar debido a la disminución de la oferta, entra en juego una relación conocida como rendimiento energético de la inversión (EROI). EROI es la relación entre la cantidad de energía obtenida de una fuente de energía primaria y la cantidad de energía gastada para obtenerla. Si para obtener un recurso se requiere más energía de la que se puede obtener de él, entonces ya no es económicamente viable buscar ese recurso, ya que la energía se perderá en el proceso. Aunque la EROI ha sido criticada por simplificar demasiado el complejo proceso de recolección de energía, sigue siendo un factor para las industrias y los gobiernos a la hora de determinar cómo economizar el uso de energía e invertir en varias fuentes de energía primaria.