Le plutonium est un sous-produit de fonctionnement de centrales nucléaires civiles, avec divers actinides.
Lorsqu'il est produit dans les réacteurs civils, il est considéré comme déchet par certains pays et comme matière valorisable par d'autres (dont la France).
En effet, le combustible usé déchargé des réacteurs peut être retraité afin d'en isoler le plutonium, qui est alors mélangé avec de l’uranium appauvri (issu de l'étape initiale d'enrichissement) pour former du combustible MOX.
En faibles quantités, le plutonium 238 est utilisé dans les générateurs thermoélectriques à radioisotope.
Une fois le combustible, les cibles et la couverture enlevés du réacteur dans lequel ils ont été irradiés, ils subissent un traitement chimique, qui s'appelle le retraitement des combustibles irradiés, dans une usine ou un atelier pour séparer le plutonium.
Les deux plus grandes installations mondiales recyclant le plutonium sont basées à la Hague et à Sellafield.
Le plutonium est aussi produit à des fins militaires dans des installations dédiées ou dans des réacteurs électrogènes selon les pays. Il est alors utilisé pour fabriquer des armes nucléaires. Il faut environ 5 kg de plutonium 239 pour obtenir une bombe nucléaire. En tant qu'élément utile à la fabrication d'arme de destruction massive, il est suivi par divers textes et conventions internationales.
En France, le plutonium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).