Vse elektrarne, od generatorjev na kraju samem do velikih regionalnih ponudnikov, v bistvu delujejo tako, da koncentrirajo razpršeno energijo, namesto da jo zbirajo. Energijo iz toplote je pogosto najlažje koncentrirati. Elektrarna na fosilna goriva ustvarja to toploto s sežiganjem nafte, zemeljskega plina ali premoga.
Najpogosteje elektrarna na fosilna goriva deluje s proizvodnjo pare. Premog, zemeljski plin ali nafto sežgejo za ogrevanje vode in proizvodnjo pare. Para se nato potisne čez lopatice turbine, kar povzroči vrtenje pritrjenega rotorja. Vrteči se rotor poganja generator, ki ustvarja električno energijo, ki jo je mogoče pobrati. Te naprave običajno pridobijo približno eno tretjino toplotne energije zgorevalnega goriva.
Redkeje se lahko elektrarna na fosilna goriva napaja z neposrednim zgorevanjem goriva. V teh primerih vroči zrak, ki nastane pri procesu gorenja, zavrti turbino. Prednost teh rastlin je, da se napajajo in izklopijo hitreje. Zmanjšana poraba vode tudi olajša okoljsko škodo. Negativno je, da so te naprave manj učinkovite kot enote na parni pogon.
Premog ostaja priljubljena izbira za elektrarno na fosilna goriva. V Združenih državah Amerike približno 50 odstotkov vse električne energije prihaja iz elektrarn na premog. Druge države, kot sta Južna Afrika in Poljska, so še bolj odvisne od premoga, saj več kot 90 odstotkov vse energije izvira iz goriva.
Naprave na premog so v izobilju iz več razlogov. Na večini območij je premog daleč najbolj dostopno gorivo. Zaradi tega je pogosto tudi najbolj stroškovno učinkovita možnost. Poleg tega so bile elektrarne na premog najzgodnejše zgrajene in večina jih še vedno deluje. Pogosto gradnja drage nove tovarne, ki bi nadomestila še delujoč objekt, ni ekonomsko izvedljiva.
Drugi po priljubljenosti med fosilnimi gorivi je zemeljski plin. Na nekaterih območjih je zemeljskega plina skoraj tako veliko kot premoga in je v povprečju cenovno primerljivo. Plin tehta manj kot druga fosilna goriva in je pogosto lažji in cenejši za transport. V izrednih razmerah se lahko pretok zemeljskega plina na splošno takoj ustavi. Nazadnje, zemeljski plin gori čistejše od nafte ali premoga in se zato večinoma šteje za okolju bolj odgovorno izbiro za zmanjšanje onesnaženosti zraka.
Elektrarna na naftna fosilna goriva deluje s sežiganjem surove nafte. Čeprav te elektrarne predstavljajo manj kot 10 odstotkov električne energije, proizvedene v severnoameriških državah, so naravna izbira za območja, kjer je nafte več. Včasih lahko zelo majhne elektrarne delujejo na modelu z zgorevanjem, ki je zelo podoben avtomobilskemu motorju. V teh primerih je nafta najbolj logična izbira.