Invisible, la pollution radioactive n'en est que plus insidieuse. Cependant, hormis les accidents nucléaires importants comme la catastrophe de Tchernobyl (avril 1986), cette forme de pollution reste limitée. De grandes précautions sont prises lors des manipulations de produits radioactifs : extraction et traitement du minerai, fonctionnement des réacteurs, transport et traitement des combustibles usés, conditionnement et traitement des déchets. En outre, des limitations très strictes sont imposées aux rejets gazeux ou liquides issus des centrales nucléaires. De fait, la radioactivité induite dans l’environnement par les rejets actuels est très inférieure à la radioactivité naturelle due au rayonnement cosmique et à la radioactivité de l’écorce terrestre.

Les risques de pollution radioactive sont donc surtout liés aux accidents potentiels. L’accident de Tchernobyl a par exemple libéré dans l’atmosphère divers radioéléments, provoquant une augmentation très nette de la radioactivité des aérosols. Retombés au sol avec les pluies, ces contaminants ont été entraînés par ruissellement et infiltration jusque dans les nappes phréatiques, surtout en Ukraine mais aussi dans des régions plus éloignées. Des taux anormalement élevés de césium radioactif ont ainsi été retrouvés jusque dans des bassins versants français.

Une autre source d’inquiétude vient de ce que, jusqu'à la signature d’un accord en 1982, quantité de déchets très radioactifs ont été immergés dans de profondes fosses sous-marines par une douzaine de pays, dont les États-Unis, la France et le Royaume-Uni. Les Soviétiques puis les Russes auraient poursuivi cette pratique jusqu'en 1992, immergeant réacteurs et sous-marins nucléaires. Nul ne peut estimer aujourd’hui les effets à long terme de telles immersions.
Plusieurs lacs, et rivières russes ont également été contaminés. Ainsi, après avoir servi durant des années de décharge à quantités de fluides radioactifs, le lac Karatchaï (Oural) serait le lac le plus radioactif au monde. Ces déchets se déplaceraient actuellement le long de la rivière Irtych et menaceraient à terme de polluer toute la région de Sibérie occidentale et l’océan Arctique.