Après 10 ans de construction, soit quatre ans de plus que prévu, la centrale est considérée officiellement en service par Hydro-Québec le 1er octobre 1983.
Ce réacteur est très semblable à celui de la centrale nucléaire de Point Lepreau, situé à une cinquantaine de kilomètres à l'ouest de Saint-Jean au Nouveau-Brunswick, les deux centrales ayant été construites simultanément. La centrale néo-brunswickoise a toutefois été construite en deux ans de moins et est entrée en service 8 mois plus tôt. Après avoir été rodé au Canada, ce modèle de réacteur a été exporté en Corée du Sud, Argentine, Roumanie et en Chine.
Contrairement à Gentilly-1, Gentilly-2 offre un bon rendement depuis sa mise en service, affichant un facteur d'exploitation cumulatif de 80,52 %, selon les données de l'Agence internationale de l'énergie atomique. Le réacteur de Gentilly a produit 3 648 gigawatt-heure d'énergie en 2008, soit environ 2.1 % de la consommation québécoise.
Sa situation géographique — à proximité des centres de consommation de Montréal et de Québec —, lui confère une importance particulière au sein du réseau électrique québécois, puisqu'elle permet de stabiliser la tension dans les lignes qui acheminent les grandes quantités d'énergie hydroélectrique produite dans les centrales du nord du Québec.
En 2005, un responsable de la division nucléaire d'Hydro-Québec, affirmait que le coût de production à la centrale de Gentilly-2 s'élevait à 6 cents le kilowatt-heure.
Après plusieurs années d'études, le gouvernement du Québec a annoncé, le 19 août 2008, la réfection de la centrale de Gentilly-2. L'opération de réfection nécessitera la fermeture de la centrale entre le printemps de 2011 et l'automne de 2012. Le projet, d'un coût total estimé à 1,9 milliard de dollars canadiens, prolongera la vie utile de la centrale jusqu'en 2040. Les opérations de rénovation comprennent la réfection du réacteur et du groupe turbine alternateur et le remplacement des ordinateurs de contrôle. Le projet comprend aussi l'agrandissement des installations de gestion des déchets radioactifs solides, dont une première phase s’est terminée en 2008.
Hydro-Québec mise sur l'expérience acquise pendant la réfection de la Centrale nucléaire de la Pointe Lepreau, une centrale presque identique située au Nouveau-Brunswick et gérée par Énergie NB, pour optimiser son programme de réfection.
Hydro-Québec soutient que l'électricité produite à Gentilly-2 après la réfection aura un prix de revient de 7,2 cent le kilowatt-heure et que ces coûts comprennent les coûts de réfection, les frais d'exploitation durant 25 ans, le coût de démantèlement et le transfert des déchets radioactifs vers un lieu de dépôt permanent dans un lieu qui reste à être déterminé.
Le lundi 16 août 2010, Hydro-Québec a annoncé par voie de communiqué le report du début des travaux de réfection de la centrale pour 2012.