放射性同位素电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素电池可长期使用。放射性同位素电池采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90，半衰期为28年)、钚-238(Pu-238，半衰期 89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

放射性同位素电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，热利用率只有10%~20%，大部分热能被浪费掉。在外形上，放射性同位素电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，起保护电池和散热的作用;次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了，在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分，放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。