โรงไฟฟ้าทั้งหมดตั้งแต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้านอกสถานที่จนถึงผู้ให้บริการในภูมิภาคขนาดใหญ่ทำงานเป็นหลักโดยมุ่งเน้นพลังงานแบบกระจายมากกว่าการเก็บเกี่ยว บ่อยครั้งพลังงานจากความร้อนเป็นสมาธิที่ง่ายที่สุด สถานีพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลสร้างความร้อนนี้ด้วยการเผาไหม้น้ำมันก๊าซธรรมชาติหรือถ่านหิน
โดยทั่วไปสถานีพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลดำเนินการโดยการสร้างไอน้ำ ถ่านหินก๊าซธรรมชาติหรือปิโตรเลียมถูกเผาในน้ำร้อนและผลิตไอน้ำ จากนั้นไอน้ำจะถูกบังคับเหนือใบพัดของกังหันทำให้ใบพัดที่ติดอยู่หมุน ใบพัดหมุนกำลังปั่นไฟเครื่องกำเนิดซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าที่สามารถเก็บเกี่ยวได้ โดยปกติแล้วพืชเหล่านี้จะทำการกู้คืนหนึ่งในสามของพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงที่เผาไหม้
บ่อยครั้งที่โรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิลสามารถขับเคลื่อนด้วยการเผาเชื้อเพลิงโดยตรง ในกรณีเหล่านี้อากาศร้อนที่เกิดจากกระบวนการเผาไหม้จะหมุนกังหัน พืชเหล่านี้มีประโยชน์ในการขับเคลื่อนขึ้นและลงอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น การใช้น้ำที่ลดลงช่วยลดความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม ในทางลบพืชเหล่านี้มีประสิทธิภาพน้อยกว่าหน่วยที่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำ
ถ่านหินยังคงเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิล ในสหรัฐอเมริกาประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ของกระแสไฟฟ้าทั้งหมดมาจากโรงไฟฟ้าถ่านหิน ประเทศอื่น ๆ เช่นแอฟริกาใต้และโปแลนด์พึ่งพาถ่านหินมากกว่าร้อยละ 90 ของพลังงานทั้งหมดที่มาจากเชื้อเพลิง
พืชถ่านหินมีอยู่มากมายด้วยเหตุผลหลายประการ ในพื้นที่ส่วนใหญ่ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงที่หาได้ง่ายที่สุด สิ่งนี้มักทำให้เป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าที่สุดเช่นกัน นอกจากนี้โรงไฟฟ้าถ่านหินเป็นโรงแรกที่สร้างขึ้นและส่วนใหญ่ยังคงเปิดใช้งานอยู่ บ่อยครั้งที่การสร้างโรงงานใหม่ที่มีราคาแพงเพื่อทดแทนโรงงานที่ยังทำงานไม่ได้เป็นไปได้ทางเศรษฐกิจ
ความนิยมอันดับสองของเชื้อเพลิงฟอสซิลคือก๊าซธรรมชาติ ในบางพื้นที่ก๊าซธรรมชาติเกือบจะมีมากพอ ๆ กับถ่านหินและโดยเฉลี่ยแล้วสามารถเทียบเคียงต้นทุนได้ ก๊าซมีน้ำหนักน้อยกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่น ๆ และมักจะง่ายกว่าและไม่แพงในการขนส่ง ในสถานการณ์ฉุกเฉินการไหลของก๊าซธรรมชาติสามารถหยุดได้ทันที ในที่สุดก๊าซธรรมชาติเผาไหม้สะอาดกว่าน้ำมันหรือถ่านหินและเป็นส่วนใหญ่ถือว่าเป็นทางเลือกที่รับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นสำหรับการลดมลพิษทางอากาศ
สถานีพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลปิโตรเลียมทำงานโดยการเผาน้ำมันดิบ แม้ว่าโรงไฟฟ้าเหล่านี้คิดเป็นสัดส่วนน้อยกว่า 10 เปอร์เซ็นต์ของการผลิตไฟฟ้าในประเทศแถบอเมริกาเหนือ แต่ก็เป็นทางเลือกตามธรรมชาติสำหรับพื้นที่ที่มีน้ำมันอุดมสมบูรณ์มากขึ้น บางครั้งโรงไฟฟ้าขนาดเล็กมากสามารถทำงานในรูปแบบการเผาไหม้คล้ายกับเครื่องยนต์รถยนต์ ในกรณีเหล่านี้ปิโตรเลียมเป็นตัวเลือกที่สมเหตุสมผลที่สุด
