Le energie non rinnovabili sono quelle fonti di energia che derivano da risorse che tendono ad esaurirsi sulla scala dei tempi umani, diventando troppo costose e/o troppo inquinanti per l'ambiente, al contrario di quelle rinnovabili, che vengono reintegrate naturalmente in un periodo di tempo relativamente breve.
Le fonti non rinnovabili sono oggi quelle più sfruttate dall'umanità perchè sono in grado di produrre le maggiori quantità di energia con impianti tecnologicamente semplici e collaudati.

Si tratta di fonti di energia primaria¹, che vengono trasformate soprattutto in energia elettrica dopo processi di conversione.
Nella maggior parte dei casi, tuttavia, questo tipo di fonti sono quelle che inquinano di più danneggiando l'ambiente con le scorie o con i gas tossici che vengono inevitabilmente prodotti.
Sono fonti di energia non rinnovabile:

• I Combustibili Fossili:
  1. Carbone;
  2. Petrolio;
  3. Gas Naturale.
• I materiali usati per la produzione di energia nucleare, quali l'uranio (detto materiale fissile²).

Si definiscono fossili quei combustibili che si sono formati dalla trasformazione, sviluppatasi in milioni di anni, di sostanza organica, seppellitasi nel sottosuolo nel corso delle ere geologiche, in forme molecolari via via più stabili e ricche di carbonio.
In pratica si può affermare che i combustibili fossili costituiscono l'accumulo, nel sottosuolo, di energia solare direttamente raccolta nella biosfera, nel corso di periodi geologici, dai vegetali, tramite la fotosintesi clorofilliana, e indirettamente, tramite la catena alimentare, dagli organismi animali.
I combustibili fossili sono attualmente la principale fonte energetica sfruttata dall'umanità, grazie ad alcune importanti caratteristiche che li contraddistinguono:

• Sono "compatti", ovvero hanno un alto rapporto energia/volume;
• Sono facilmente trasportabili (la trasportabilità del gas naturale è funzione della distanza da compiere e della topografia delle zone attraversate con il gasdotto);
• Sono facilmente immagazzinabili;
• Sono utilizzabili con macchinari relativamente semplici;
• Costano relativamente poco.

In particolare queste due ultime caratteristiche hanno innescato un meccanismo di progettazione e costruzione di macchinari, sistemi di supporto ed infrastrutture per questa tecnologia, basata sull'utilizzo dei combustibili fossili, che ne ha reso l'utilizzo ancor più interessante economicamente, facendo sí che lo sviluppo di macchine che possano sfruttare fonti energetiche alternative sia ancora molto lento e scarsamente stimolante (almeno fino a pochi anni fa).
Hanno per contro importanti svantaggi:

1. Sono inquinanti, anche se con l'utilizzo di macchine moderne questo problema si è ridotto. Una forma di inquinamento è data dalla diffusione in atmosfera di sostanze associate naturalmente a questi combustibili, per esempio la liberazione di anidride solforosa (SO₂) responsabile del fenomeno delle piogge acide;
2. Il loro utilizzo determina un incremento della quantità di CO₂ in atmosfera, un gas non direttamente inquinante, ma oggi considerato come il maggiore imputato del surriscaldamento globale; La quantità di CO₂ emessa dipende dal tipo di combustibile utilizzato, a parità di energia prodotta il carbone produce una quantità quasi doppia di anidride carbonica rispetto al gas naturale;
3. Non sono risorse rinnovabili, dato che il processo di fossilizzazione della sostanza organica è estremamente lungo e la quantità che oggi si fossilizza è trascurabile rispetto ai fabbisogni energetici della società in cui viviamo.

L'ultimo punto comporta un progressivo esaurimento dei giacimenti e quindi delle scorte disponibili, a fronte di un progressivo e costante aumento della domanda di energia (con conseguente aumento dei prezzi).
L'aumento dei prezzi, la consapevolezza che le scorte disponibili sono destinate ad esaurirsi ed una maggiore sensibilità verso le tematiche ambientali, ha accentuato le politiche di diversificazione delle fonti dei singoli paesi, favorendo lo sviluppo di sistemi di approvvigionamento energetico alternativi ai combustibili fossili.

Oggi i combustibili fossili provvedono a poco più dell'85% del fabbisogno energetico mondiale: di questo il petrolio contribuisce per il 40%, il carbone per il 26% e il gas naturale (in forte crescita di consumo) per il 23%.
Un ulteriore 7% viene ricavato dall'energia nucleare; a questo proposito si osserva che per quanto l'uranio non possa essere considerato un combustibile fossile, come fornitore di energia faccia parte delle risorse naturali limitate e non rinnovabili.