Действие высоковольтной атомной батареи основано на использовании явления радиоактивного распада некоторых элементов (альфа-распад и бета-распад). Например, радиоактивным элементом может быть стронций-90 очень активный источник бета-частиц (электронов). Энергия этих частиц достаточно велика; они могут пролетать в атмосфере большое расстояние, и создавать отрицательный потенциал на электроде, находящемся на некотором расстоянии от радиоактивного вещества. Само же радиоактивное вещество, испуская заряженные частицы, становится положительно заряженным электродом. Максимальное напряжение, которое можно получить от атомной батареи данного типа зависит от энергии испускаемых электронов и качества изоляции между электродами; оно может достигать десятков тысяч вольт. Максимальный ток зависит от числа атомов, распадающихся в течении 1 секунды. Величина тока этих батарей ничтожно мала. Потеря мощности атомных батарей происходит за счет уменьшения тока, тогда как напряжение остается постоянным. Эта особенность данных батарей используется в измерительной технике.

Рассмотрим принцип работы низковольтной атомной батареи. На поверхности полупроводника наносится слой радиоактивного вещества, излучаемый этим слоем, поток бета частиц бомбардирует атомы полупроводника, выбивая из него очень большое количество медленных электронов.Так как выбитые электроны могут двигаться только в одном направлении, они накапливаются на металлическом коллекторе, приваренном к другой стороне полупроводника и образующим с полупроводником контакт Шотки, обладающий односторонней проводимостью. Между коллектором и полупроводником возникает разность потенциалов. Для повышения кпд батареи часто вместо чистого полупроводника используют p-n переход в качестве контакта с односторонней проводимостью. Также существуют батареи использующие для генерации электронов эффект термоэлектронной эмиссии, так называемые термоэмиссионные генераторы. Принцип действия таких батарей аналогичен работе высоковольтных атомных батарей, описанных выше. В данных батареях используются изотопы, ядерные реакции в которых приводят к разогреву катода. Горячий катод испускает медленные электроны, которые, достигая анод, заряжают его отрицательно, в то время как катод заряжается положительно.Одним из веских оснований к применению данных источников энергии служит ряд преимуществ перед другими источниками энергии (практическая необслуживаемость, компактность и др), и решающим основанием явилась громадная энергоемкость изотопов. Практически по массовой и объемной энергоемкости распад используемых изотопов уступает лишь делению ядер урана, плутония и др в 4-50 раз, и превосходит химические источники энергии (аккумуляторы, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз.