Fissão nuclear espontânea é uma forma de desintegração radioativa, característica de isótopos muito pesados, sendo teóricamente possível para qualquer núcleo atómico cuja massa é maior ou igual a 100 uma (elementos perto do rutênio). Na prática, no entanto, fissão espontânea é apenas possível para massas atómicas superiores a 230 uma (elementos perto do tório). Os elementos mais susceptíveis de sofrerem fissão espontânea são os trans-actinídios, como o ruterfórdio.

Para o urânio e o tório, o modo de decaimento de fissão espontânea ocorre efectivamente, mas não se verifica na maioria dos colapsos radiactivos, pelo que é usualmente negligenciado excepto para as considerações exactas das razões de ramificação quando se determina a actividade de uma amostra contendo estes elementos. Matematicamente, o critério para saber se fissão espontânea poderá ocorrer ou não, é:

Como o nome sugere, a fissão espontânea segue exactamente o mesmo processo que a fissão nuclear, apenas não sendo auto-sustentada e não gerando o fluxo de neutrões necessário para atingir criticidade e continuar a fissão. No entanto, a fissão espontânea, como qualquer outra fissão, liberta neutrões, pelo que radioisótopos para os quais a fissão espontânea representa um modo de decaimento não-eligível, podem ser usados como fontes de neutrões; o califórnio-252 (meia-vida de 2,645 anos, razão de ramificação SF de 3,09%) é frequentemente usado para este fim. Os neutrões podem então ser usados na detecção de explosivos em bagagem de linhas aéreas, na medição do conteúdo de humidade de um piso na construção de estradas ou de edifícios, na medição de humidade em materiais armazenados em silos, e em muitas outras aplicações.