ydinreaktio, atomiytimen identiteetin tai ominaisuuksien muutos, joka aiheutuu pommittamalla sitä energeettisellä hiukkasella. Pommittava hiukkanen voi olla alfahiukkanen, gammafotoni, neutroni, protoni tai raskas ioni. Joka tapauksessa pommittavalla hiukkasella on oltava tarpeeksi energiaa, jotta se voi lähestyä positiivisesti varautunutta ydintä voimakkaan ydinvoiman kantaman sisällä.
tyypillisessä ydinreaktiossa on mukana kaksi reagoivaa hiukkasta—raskas kohdeydin ja kevyt pommitushiukkanen—ja syntyy kaksi uutta hiukkasta—raskaampi tuoteydin ja kevyempi ulosheitetty hiukkanen. Ensimmäisessä havaitussa ydinreaktiossa (1919) Ernest Rutherford pommitti typpeä alfahiukkasilla ja tunnisti sinkoutuneet kevyemmät hiukkaset vetyytimiksi tai protoneiksi (11h tai p) ja tuoteytimet harvinaiseksi happi-isotoopiksi. Ensimmäisessä keinotekoisesti kiihdytettyjen hiukkasten tuottamassa ydinreaktiossa (1932) englantilainen fyysikko J. D. Cockcroft ja E. T. S. Walton pommittivat litiumia kiihdytetyillä protoneilla ja tuottivat siten kaksi heliumytintä eli alfahiukkasta. Kun on tullut mahdolliseksi kiihdyttää varattuja hiukkasia yhä suuremmiksi energioiksi, on havaittu monia korkeaenergisiä ydinreaktioita, jotka tuottavat erilaisia subatomisia hiukkasia, joita kutsutaan mesoneiksi, baryoneiksi ja resonanssihiukkasiksi.