Um dos maiores problemas envolvidos no trabalho com materiais nucleares é descobrir o que fazer com esses materiais quando eles perdem a utilidade. Coisas como combustível nuclear irradiado de usinas de energia e operações militares podem ser muito perigosas, mas não têm uso prático, forçando governos e agências ambientais a apresentar métodos de eliminação de resíduos nucleares que são seguros e eficazes. A falha no manuseio adequado dos resíduos nucleares pode resultar em problemas sérios, como degradação ambiental.
Às vezes, o descarte de lixo nuclear pode ser realizado reprocessando o lixo para que possa ser usado para outra coisa. O reprocessamento gerará algum desperdício, mas reduz a quantidade total de desperdício e pode gerar economias substanciais liberando material utilizável que, de outra forma, seria descartado. Algumas indústrias usam o reprocessamento para decompor o lixo nuclear em diferentes componentes, para facilitar o manuseio durante o processo de descarte de lixo nuclear.
O lixo nuclear não pode ser colocado no meio-fio com o lixo, porque gera radiação. Uma das técnicas mais comuns para a eliminação permanente de resíduos nucleares é o enterro. Quando os resíduos radioativos são enterrados, eles são armazenados em grandes tambores projetados para durar mais que a radioatividade. Os tambores são enterrados no subsolo, em uma área sismicamente estável, onde o lixo nuclear se decompõe em componentes menos voláteis ao longo dos séculos. Essa abordagem ao descarte de resíduos nucleares é um tanto problemática, porque os tambores podem falhar, causando poluição ou futuras civilizações podem desenterrar o local, sem perceber que ele contém materiais perigosos.
Algumas pessoas defenderam atirar lixo nuclear no espaço. O espaço já possui uma grande quantidade de radiação de fundo; portanto, é improvável que o desperdício nuclear cause um problema de radiação no espaço, mas o pensamento de deixar cilindros de materiais nucleares gastos à deriva pelo universo é desagradável para algumas pessoas. Também foram levantadas preocupações sobre a segurança de ter vários objetos descartados flutuando no espaço, pois esses objetos podem se tornar um perigo para a navegação em algum momento.
O gerenciamento de resíduos nucleares é uma questão crítica em todo o mundo, especialmente com o surgimento de usinas nucleares como uma alternativa popular de geração de energia. A energia nuclear não gera emissões, tornando-a atraente do ponto de vista ambiental, e muitas nações dependem fortemente da energia nuclear para obter energia. Como resultado, o lixo nuclear começou a se acumular em algumas regiões do mundo, levantando questões sobre o quanto a energia nuclear é ambientalmente amigável.