火力发电的原理常被类比成烧开水，但实际过程要通过三大系统的协同，把燃料的化学能一步步转换成电能。最常见的燃料是煤，煤从煤场经皮带输送机运到煤斗，再进入磨煤机磨成极细的煤粉——煤粉表面积大，燃烧更充分，能提高能源利用率。接着空气预热器的热风将煤粉送进锅炉炉膛，剧烈燃烧的煤粉让炉膛温度达到2200°C以上，直接加热锅炉管道里的水，生成高温高压蒸汽。
这些蒸汽要走再热循环：先进入汽轮机高压缸推动叶片旋转，此时蒸汽温度和压力下降，被送回锅炉再热器重新加热，之后进入中压缸、低压缸继续做功。汽轮机的转轴直接连接着发电机，叶片旋转的同时带动发电机转子转动。而发电机发电需要励磁系统配合——副励磁机产生高频电流，经励磁盘整流后送到主励磁机，主励磁机的电流传到发电机转子，转子旋转时定子线圈感应出电流，电能就产生了。
做完功的蒸汽失去了大部分能量，会被引入凝汽器，在冷却水的作用下冷却成液态水。这些凝结水通过凝结水泵送到低压加热器预热，再进入除氧器除掉水中的氧气——防止管道和设备腐蚀，然后由给水泵送到高压加热器进一步加热，最后重新回到锅炉，继续循环生成蒸汽。整个系统是封闭的，但因为管道和阀门容易跑冒滴漏，需要不断补充经过化学处理的软化水，通常补给水会送到除氧器里。
燃烧产生的烟气不能直接排放，要先经过电除尘器去除粉尘，再进入脱硫装置用石灰浆喷淋，去除其中的硫化物，最后由吸风机将净化后的烟气排入烟囱。烧剩的煤渣也不会浪费，常常被用来铺路或制成建筑材料，实现资源的综合利用。
除了燃煤发电，火力电厂还有很多类型：有用天然气的燃气发电厂，有用工业生产余热的余热发电厂，还有用城市垃圾和工业废料的环保型发电厂。按蒸汽压力和温度分，最先进的是超超临界压力电厂——蒸汽压力能达到31MPa，温度600°C，热效率比传统电厂高很多。
火力电厂的安全运行很重要，必须保证设备的制造、安装和检修质量，严格遵守运行规程，实时监控温度、压力等各项参数，定期巡查设备——如果不能保证安全，可能会导致人身伤害、设备损坏，甚至影响电力供应。
