Semua pembangkit listrik, dari generator di lokasi hingga penyedia regional skala besar, pada dasarnya bekerja dengan memusatkan energi yang menyebar daripada memanennya. Seringkali, energi dari panas termasuk yang paling mudah untuk dikonsentrasikan. Pembangkit listrik berbahan bakar fosil menciptakan panas ini dengan membakar minyak, gas alam, atau batu bara.
Paling umum, pembangkit listrik bahan bakar fosil beroperasi dengan pembangkit uap. Batubara, gas alam atau minyak bumi dibakar untuk memanaskan air dan menghasilkan uap. Uap kemudian dipaksa melewati bilah turbin, menyebabkan rotor yang terpasang berputar. Rotor yang berputar menggerakkan generator, yang menghasilkan listrik yang dapat dipanen. Pembangkit ini biasanya memulihkan sekitar sepertiga dari energi panas dari bahan bakar yang terbakar.
Lebih jarang, pembangkit listrik bahan bakar fosil dapat ditenagai dengan membakar bahan bakar secara langsung. Dalam kasus ini, udara panas yang dihasilkan oleh proses pembakaran memutar turbin. Tanaman-tanaman ini memiliki manfaat untuk dinyalakan dan dimatikan lebih cepat. Pengurangan penggunaan air juga mengurangi kerusakan lingkungan. Negatifnya, pembangkit ini kurang efisien dibandingkan unit bertenaga uap.
Batubara tetap menjadi pilihan populer untuk pembangkit listrik berbahan bakar fosil. Di Amerika Serikat, sekitar 50 persen dari semua listrik berasal dari pembangkit listrik tenaga batu bara. Negara-negara lain seperti Afrika Selatan dan Polandia bahkan lebih bergantung pada batu bara, dengan lebih dari 90 persen dari seluruh tenaga berasal dari bahan bakar.
Tanaman batubara berlimpah karena berbagai alasan. Di sebagian besar wilayah, batu bara sejauh ini merupakan bahan bakar yang paling mudah tersedia. Ini sering menjadikannya pilihan yang paling hemat biaya juga. Selain itu, pembangkit listrik batu bara adalah yang paling awal dibangun, dan sebagian besar masih beroperasi. Seringkali, membangun pabrik baru yang mahal untuk menggantikan fasilitas yang masih beroperasi tidak layak secara ekonomi.
Popularitas kedua di antara bahan bakar fosil adalah gas alam. Di daerah-daerah tertentu, gas alam hampir sama melimpahnya dengan batu bara dan, rata-rata, sebanding dengan biayanya. Gas beratnya kurang dari bahan bakar fosil lainnya dan seringkali lebih mudah dan lebih murah untuk diangkut. Dalam situasi darurat, aliran gas alam umumnya dapat segera dihentikan. Akhirnya, gas alam membakar lebih bersih daripada minyak atau batu bara dan, dengan demikian, sebagian besar dianggap sebagai pilihan yang lebih bertanggung jawab terhadap lingkungan untuk mengurangi polusi udara.
Sebuah pembangkit listrik bahan bakar fosil minyak bumi bekerja dengan membakar minyak mentah. Meskipun pembangkit listrik ini menyumbang kurang dari 10 persen dari listrik yang dihasilkan di negara-negara Amerika Utara, mereka adalah pilihan alami untuk daerah di mana minyak lebih berlimpah. Terkadang, pembangkit listrik skala sangat kecil dapat bekerja pada model pembakaran yang sangat mirip dengan mesin mobil. Dalam kasus ini, minyak bumi adalah pilihan yang paling logis.