Kaikki voimalaitokset, paikan päällä olevista generaattoreista suuriin alueellisiin toimittajiin, toimivat pääasiassa hajautetun energian keskittämisellä sen keräämisen sijaan. Usein lämmöstä saatava energia on helpointa keskittyä. Fossiilisten polttoaineiden voimalaitos tuottaa tämän lämmön polttamalla öljyä, maakaasua tai hiiltä.
Yleisimmin fossiilisten polttoaineiden voimalaitos toimii höyryllä. Kivihiili, maakaasu tai maaöljy poltetaan veden lämmittämiseksi ja höyryn tuottamiseksi. Höyry pakotetaan sitten turbiinin siipien päälle aiheuttaen kiinnitetyn roottorin pyörimisen. Pyörivä roottori käyttää generaattoria, joka tuottaa sähköä, joka voidaan kerätä. Nämä laitokset saavat tyypillisesti talteen noin kolmanneksen palavan polttoaineen lämpöenergiasta.
Harvemmin fossiilisten polttoaineiden voimalaitosta voidaan käyttää polttamalla polttoaine suoraan. Näissä tapauksissa palamisprosessin tuottama kuuma ilma pyörii turbiinin. Näiden laitosten etu on, että ne saavat virtaa ylös ja alas nopeammin. Vähentynyt vedenkäyttö helpottaa myös ympäristövahinkoja. Negatiivisesti nämä laitokset ovat vähemmän tehokkaita kuin höyrykäyttöiset yksiköt.
Hiili on edelleen suosittu valinta fossiilisten polttoaineiden voimalaitokselle. Yhdysvalloissa noin 50 prosenttia kaikesta sähköstä tulee hiilivoimaloista. Muut maat, kuten Etelä -Afrikka ja Puola, ovat vieläkin riippuvaisempia hiilestä, ja yli 90 prosenttia kaikesta energiasta on peräisin polttoaineesta.
Kivihiilikasveja on runsaasti monista syistä. Useimmilla alueilla hiili on ylivoimaisesti helpoimmin saatavilla oleva polttoaine. Tämä tekee siitä usein myös kustannustehokkaimman vaihtoehdon. Lisäksi kivihiilitehtaat rakennettiin varhaisimmin, ja useimmat ovat edelleen toiminnassa. Usein kalliin uuden laitoksen rakentaminen yhä toimivan laitoksen korvaamiseksi ei ole taloudellisesti kannattavaa.
Toiseksi suosio fossiilisten polttoaineiden joukossa on maakaasu. Joillakin alueilla maakaasua on lähes yhtä paljon kuin hiiltä ja se on keskimäärin vertailukelpoista. Kaasu painaa vähemmän kuin muut fossiiliset polttoaineet ja on usein helpompaa ja halvempaa kuljettaa. Hätätilanteissa maakaasun virta voidaan yleensä pysäyttää välittömästi. Lopuksi, maakaasu palaa puhtaammin kuin öljy tai hiili, ja siksi sitä pidetään suurelta osin ympäristöystävällisempänä vaihtoehtona ilmansaasteiden vähentämisessä.
Fossiilisten polttoaineiden voimalaitos polttaa raakaöljyä. Vaikka näiden voimalaitosten osuus Pohjois -Amerikan maissa tuotetusta sähköstä on alle 10 prosenttia, ne ovat luonnollinen valinta alueille, joilla öljyä on enemmän. Joskus hyvin pienimuotoiset voimalaitokset voivat työskennellä polttomallilla, joka on hyvin samanlainen kuin auton moottori. Näissä tapauksissa öljy on loogisin valinta.