Wszystkie elektrownie, od generatorów na miejscu po regionalnych dostawców na dużą skalę, zasadniczo działają poprzez koncentrację rozproszonej energii, a nie jej pozyskiwanie. Często energia z ciepła należy do najłatwiejszych do skoncentrowania. Elektrownia na paliwa kopalne wytwarza to ciepło poprzez spalanie ropy naftowej, gazu ziemnego lub węgla.
Najczęściej elektrownie na paliwa kopalne działają na zasadzie wytwarzania pary. Węgiel, gaz ziemny lub ropa naftowa są spalane w celu podgrzania wody i wytworzenia pary. Para jest następnie przepychana przez łopatki turbiny, powodując wirowanie dołączonego wirnika. Wirujący wirnik napędza generator, który wytwarza energię elektryczną, którą można zebrać. Instalacje te zazwyczaj odzyskują około jednej trzeciej energii cieplnej spalanego paliwa.
Rzadziej elektrownie na paliwa kopalne mogą być zasilane poprzez bezpośrednie spalanie paliwa. W takich przypadkach gorące powietrze wytworzone w procesie spalania wprawia turbinę w ruch. Te elektrownie mają tę zaletę, że są szybciej włączane i wyłączane. Zmniejszone zużycie wody zmniejsza również szkody w środowisku. Negatywnie, elektrownie te są mniej wydajne niż jednostki napędzane parą.
Węgiel pozostaje popularnym wyborem dla elektrowni na paliwa kopalne. W Stanach Zjednoczonych około 50 procent całej energii elektrycznej pochodzi z elektrowni węglowych. Inne kraje, takie jak Republika Południowej Afryki i Polska, są jeszcze bardziej uzależnione od węgla, ponieważ ponad 90 procent całej energii pochodzi z paliwa.
Rośliny węglowe są obfite z wielu powodów. W większości obszarów węgiel jest zdecydowanie najłatwiej dostępnym paliwem. To często sprawia, że jest to również najbardziej opłacalna opcja. Ponadto najwcześniej zbudowano elektrownie węglowe, a większość nadal działa. Często budowa drogiego nowego zakładu w celu zastąpienia wciąż działającego obiektu nie jest ekonomicznie wykonalna.
Drugim pod względem popularności wśród paliw kopalnych jest gaz ziemny. Na niektórych obszarach gaz ziemny jest prawie tak bogaty jak węgiel i, przeciętnie, porównywalny pod względem kosztów. Gaz waży mniej niż inne paliwa kopalne i często jest łatwiejszy i tańszy w transporcie. W sytuacjach awaryjnych przepływ gazu ziemnego można z reguły natychmiast zatrzymać. Wreszcie, gaz ziemny spala się czyściej niż ropa czy węgiel, a zatem jest w dużej mierze uważany za bardziej przyjazny dla środowiska wybór, jeśli chodzi o zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza.
Elektrownia na paliwa kopalne działa na zasadzie spalania ropy naftowej. Chociaż elektrownie te wytwarzają mniej niż 10 procent energii elektrycznej produkowanej w krajach Ameryki Północnej, są naturalnym wyborem na obszarach, gdzie występuje więcej ropy naftowej. Czasami bardzo małe elektrownie mogą pracować na modelu spalinowym bardzo podobnym do silnika samochodowego. W takich przypadkach najbardziej logicznym wyborem jest ropa naftowa.