Sve elektrane, od generatora na licu mjesta do velikih regionalnih dobavljača, u osnovi rade koncentrirajući difuznu energiju umjesto da je sakupljaju. Često je energija iz topline među najlakšima za koncentriranje. Elektrana na fosilna goriva stvara tu toplinu sagorijevanjem nafte, prirodnog plina ili ugljena.
Najčešće, elektrana na fosilna goriva radi proizvodnjom pare. Ugljen, prirodni plin ili nafta se spaljuju za zagrijavanje vode i proizvodnju pare. Para se tada potiskuje preko lopatica turbine, uzrokujući okretanje pričvršćenog rotora. Rotor koji se vrti pokreće generator, koji stvara električnu energiju koja se može prikupiti. Ova postrojenja obično obnavljaju oko jedne trećine toplinske energije gorućeg goriva.
U rjeđim slučajevima, elektrana na fosilna goriva može se napajati izravnim sagorijevanjem goriva. U tim slučajevima, vrući zrak stvoren procesom izgaranja vrti turbinu. Prednost ovih postrojenja je što se brže pokreću i spuštaju. Smanjena upotreba vode također olakšava štetu okolišu. Negativno, ova postrojenja su manje učinkovita od jedinica na parni pogon.
Ugljen je i dalje popularan izbor za elektranu na fosilna goriva. U Sjedinjenim Državama otprilike 50 posto sve električne energije dolazi iz elektrana na ugljen. Druge zemlje kao što su Južna Afrika i Poljska još se više oslanjaju na ugljen, s više od 90 posto sve energije potječe iz goriva.
Postrojenja na ugljen su bogata iz mnogo razloga. U većini područja, ugljen je daleko najlakše dostupno gorivo. To ga često čini i najisplativijom opcijom. Osim toga, najranije su izgrađene elektrane na ugljen, a većina njih još uvijek radi. Često izgradnja skupe nove tvornice koja bi zamijenila još uvijek operativni objekt nije ekonomski izvediva.
Drugi po popularnosti među fosilnim gorivima je prirodni plin. U određenim područjima prirodnog plina ima gotovo jednako kao ugljen i u prosjeku je usporediv po cijeni. Plin teži manje od ostalih fosilnih goriva i često je lakši i jeftiniji za transport. U hitnim situacijama, protok prirodnog plina općenito se može odmah zaustaviti. Konačno, prirodni plin gori čišće od nafte ili ugljena i stoga se u velikoj mjeri smatra ekološki odgovornijim izborom za smanjenje onečišćenja zraka.
Elektrana na fosilna goriva radi sagorijevanjem sirove nafte. Iako te elektrane čine manje od 10 posto električne energije proizvedene u zemljama Sjeverne Amerike, one su prirodan izbor za područja u kojima je nafte više. Ponekad, vrlo male elektrane mogu raditi na modelu s izgaranjem koji je vrlo sličan automobilskom motoru. U tim slučajevima, nafta je najlogičniji izbor.