Tsjernobyl-reaktoren var av den såkalte RBMK-typen, en vannavkjølt reaktor hvor nøytronene bremses ned (modereres) av grafitt. De 1661 brenselselementene med en anrikning på to prosent 235U kan skiftes mens reaktoren er i drift, og RBMK-reaktoren har mange likhetstrekk med de militære reaktorene som brukes til å produsere plutonium til atomvåpen i Sibir. Ved Tsjernobyl-anlegget er det fire reaktorer, hver kan yte en elektrisk effekt på 1000 MW. For tiden er to av reaktorene i drift ved anlegget, og det føres forhandlinger av G7-landene med ukrainske myndigheter om en plan for å stenge anlegget for godt.

Fatalt eksperiment
Teknisk skyldtes ulykken dels feil fra operatørenes side og dels feil i selve reaktorkonstruksjonen. Det hele startet med et eksperiment for å undersøke muligheten til å produsere strøm fra rest-energien i turbogenoratorene, etter at damptilførselen til turbinen var avstengt. Eksperimentet var dårlig planlagt, og ble ledet av en elektroingeniør som ikke var kjent med reaktoranlegget. Liknende forsøk hadde vært utført tidligere.

For å gjennomføre eksperimentet ble seks viktige sikkerhetsregler brutt av operatørene, og alle automatiske nedkjøringsfunksjoner satt ut av drift. I tillegg ble nødkjølingssystemet for reaktorkjernen satt ut av funksjon. Eksperimentet kunne bare gjennomføres mens reaktoren ga liten effekt, noe som fikk operatørene feilaktig til å tro at de utførte en trygg operasjon.

Rett etter 01.00 om morgenen 26. april fungerte reaktoren på et lavt effekt-nivå og alle kontrollstavene var trukket ut av reaktorkjernen. Siden reaktoren gikk med så lav effekt, mente operatørene at de kunne styre den manuelt. De overstyrte de automatiske kontrollsystemene for at reaktoren ikke skulle stoppe opp.

Klokken 01:22:30 var seks-åtte kontrollstaver inne i kjernen. Dette er halvparten av det absolutte minimum under vanlig drift.

Klokken 01:23:04 mente operatørene at reaktoren var såpass stabil at eksperimentet kunne starte, og nødreguleringsventilen til turbogeneratoren ble stengt. Damptrykket i systemet økte sakte, fordi dampleveransen var redusert. Kjølevannet i reaktoren kom nær kokepunktet; slik at en liten økning av effekten ville bety en betydelig økning i dampdannelsen, noe som på grunn av reaktorens innebygde fysiske egenskaper måtte føre til en dramatisk økning i effekten.

Klokken 01:23:40 oppdaget operatøren en hurtig økning i effekten, og trykket inn nødstoppknappen. Det var imidlertid for sent: Kontrollstavene kunne ikke bevege seg fort nok til å hindre en akselererende effektøkning.

Denne effektøkningen var først langsom, deretter økende til dobling av effekten på under et sekund. Kort tid etter var doblingstiden nede i et millisekund. Vannet i kjernen eksploderte i damp. Brenselselementene ble ødelagt av eksplosjonen, som også blåste bort taket over reaktoren og ga frisk luft fri tilgang til reaktoren. Dermed tok den hvitglødende grafitten i kjernen fyr. Brannen varte i flere dager og førte til at store mengder radioaktivitet ble fraktet 1000 meter opp i atmosfæren. For å slukke brannen ble det blant annet sluppet ned 5000 tonn bly og stein fra helikoptre.

Ettervirkninger
Etter ulykken ble det konstruert en sarkofag av sement rundt reaktoren, for å forhindre ytterligere utslipp av radioaktivitet. Denne sarkofagen er i svært dårlig forfatning, og det fryktes blant annet at taket kan kollapse.
Den totale mengden av radioaktive stoffer som ble sluppet ut hadde aktivitet i underkant av tre millioner TBq. Av dette var det 95 000 TBq med lang levetid, som for eksempel cesium, strontium og plutonium.
Store deler av plutoniumet og strontiumet falt ned innenfor en radius av 30 km fra reaktoren. Det var særlig cesium, 134Cs og 137Cs, som sto for nedfallet over Hviterussland, samt deler av Russland og Vest-Europa. I den første tiden etter ulykken var også nedfallet av 131I (radioaktivt jod) viktig.

"Liquidators"
Opprydningsarbeidet etter ulykken antok gigantiske proporsjoner. Opp mot 800 000 arbeidere og militært personell var involvert. Disse såkalte "liquidators" utførte viktige oppgaver like etter ulykken og deltok i opprydningsarbeidet i årene etter. Halvparten av dem var fra Ukraina, mens resten kom fra hele det tidligere Sovjetunionen. Det er sparsomt med opplysninger om disse menneskene. Det er opplyst at opp til 15 000 av dem har dødd i løpet av de ti årene som er gått siden ulykken. En del av disse dødsfallene skyldes trolig strålingen de mottok i forbindelse med Tsjernobyl-ulykken.
De som mottok de største stråledosene var i første rekke de omtrent 400 ansatte ved verket, og brannmannskaper og medisinsk personell som var ved verket da ulykken skjedde og i dagene etter. Det er opplyst at 31 av disse døde som følge av skader og stråling de pådro seg under ulykken.

De evakuerte
Et område med en radius på 30 km ble etter ulykken gjort til en "forbudt sone", hvor ingen fikk lov til å bo. Totalt ble 135 000 mennesker evakuert, av disse kom 91 000 innbyggere fra den "forbudte sonen". Evakueringen tok flere uker, og de evakuerte mottok tildels høye doser i løpet av denne tiden. Nærmere 270 000 mennesker bor nå i områder som er underlagt restriksjoner på grunn av strålingen. Felles for disse 400 000 menneskene er at de ble særlig utsatt for stråling fra radioaktivt jod (131I) i skjoldbruskkjertlene i de første ukene etter ulykken. Det er dokumentert en sterk økning i tilfeller av skjoldbruskkjertelkreft blant disse gruppene, spesielt hos barna i Gomel-regionen i Hviterussland.

Tsjernobyl-effekt i Norge
Noen prosent av det totale utslippet fant veien til Norge, da særlig til sentrale deler av Sør-Norge, Trøndelagsfylkene og søndre deler av Nordland. Det er beregnet at dosen til en gjennomsnitts nordmann som følge av Tsjernobyl-nedfallet er to-tre prosent av den totale strålingen vi utsettes for hvert år. Utsatte grupper, som for eksempel reindriftssamer i Midt-Norge, har mottatt betydelig større doser. Beregninger utført ved Statens Strålevern anslår at i en 50-års periode vil det komme 100-500 ekstra krefttilfeller i Norge som en følge av denne ekstradosen.
I etterkant av nedfallet ble det iverksatt en rekke tiltak for å begrense dosene til befolkningen. Tiltakene har blant annet vært nedforing med rent fôr, gjødsling for å hindre opptak av cesium i fôrplantene og bruk av stoffer som reduserer opptak av cesium i dyrene. Disse tiltakene har halvert dosen til den norske befolkningen.