Alla kraftverk, från generatorer på plats till storskaliga regionala leverantörer, fungerar i huvudsak genom att koncentrera en diffus energi snarare än att skörda den. Ofta är energi från värme bland de enklaste att koncentrera. Ett fossilbränslekraftverk skapar denna värme genom att bränna olja, naturgas eller kol.
Vanligast är att ett kraftverk med fossila bränslen drivs med ånggenerering. Kol, naturgas eller petroleum förbränns för att värma vatten och producera ånga. Ångan tvingas sedan över bladen på en turbin, vilket får den anslutna rotorn att snurra. Den snurrande rotorn driver en generator, som skapar elektricitet som kan skördas. Dessa anläggningar återvinner vanligtvis ungefär en tredjedel av den termiska energin från det brinnande bränslet.
Mer sällan kan ett fossilbränslekraftverk drivas genom att bränslet bränns direkt. I dessa fall snurrar den varma luften som skapas av förbränningsprocessen turbinen. Dessa anläggningar har fördelen av att drivas upp och ner snabbare. Den minskade vattenanvändningen underlättar också miljöskadorna. Negativt är dessa anläggningar mindre effektiva än ångdrivna enheter.
Kol är fortfarande det populära valet för ett kraftverk med fossila bränslen. I USA kommer cirka 50 procent av all el från kolverk. Andra länder som Sydafrika och Polen är ännu mer beroende av kol, där över 90 procent av all kraft kommer från bränslet.
Kolväxter är rikliga av många anledningar. I de flesta områden är kol det i särklass mest lättillgängliga bränslet. Detta gör det ofta till det mest kostnadseffektiva alternativet också. Dessutom var kolverk de tidigast byggda, och de flesta är fortfarande i drift. Ofta är det inte ekonomiskt möjligt att bygga en dyr ny anläggning för att ersätta en fortfarande i drift.
Andra i popularitet bland fossila bränslen är naturgas. I vissa områden är naturgas nästan lika rikligt som kol och i genomsnitt kostnadsjämförbar. Gas väger mindre än andra fossila bränslen och är ofta lättare och billigare att transportera. I nödsituationer kan flödet av naturgas i allmänhet stoppas omedelbart. Slutligen brinner naturgas renare än olja eller kol och anses därför till stor del vara ett mer miljöansvarigt val för att minska luftföroreningarna.
Ett kraftverk med fossila petroleumbränslen fungerar genom att förbränna råolja. Även om dessa kraftverk står för mindre än 10 procent av den el som produceras i nordamerikanska länder, är de det naturliga valet för områden där det finns mer olja. Ibland kan mycket småskaliga kraftverk arbeta på en förbränningsmodell som mycket liknar en bilmotor. I dessa fall är petroleum det mest logiska valet.