行政院1976年核准核三廠設址於屏東縣恆春鎮馬鞍山。核三廠有2座反應爐，為西屋公司的壓水式反應爐，發電功率各為951MW、共1,902MW註釋 。
核三廠的2號機與1號機，分別在2008/12/2與2009/7/7完成小幅度功率提升改善計畫。實際最大發電能力，比額定裝置容量951MW小幅提高約1.7%。
反應爐的飼水測量有一定的不準度，因此反應爐設計時，需要保留一定的安全裕度。這項改善計畫，是透過提高測量準確度，降低安全裕度，提高功率（參考）。
1號機反應爐於1984年2月18日裝填鈾燃料、3月30日首次達到臨界、5月9日併聯發電、7月27日開始商業運轉。2號機反應爐1984年12月05日裝填鈾燃料，1985年2月1日首次臨界、2月25日併聯發電、5月18日開始商業運轉。兩座反應爐運轉執照分別在2024年7月27日及2025年5月17日屆滿。
核三「全黑事件」
2001年3月18日，核三廠發生了台灣核電史上最嚴重的「全黑事件」、「3A事件」。電廠「全黑」，喪失所有電源達2個小時8分鐘。除了對外發電以外，冷卻系統、安全系統則需要使用電力。即使在機組停機的情況下，反應爐內的核反應會持續進行，冷卻、安全等系統若一直無法運作，爐心內的溫壓若持續上升，將可能導致爐心融毀等重大核災。
3月18日，事故前，1號機為停爐狀態，凌晨00時46分開始，核三廠幾個電源前後失效。先是因鹽霧害導致超高壓345kV輸電線路跳脫，一度轉由161kV供電，但之後A串匯流排發生接地故障，導致345kV與161kV對A、B兩串匯流排的斷路器皆跳脫，核三廠喪失所有廠外電源。
廠內，1號機有兩台緊急柴油發電機，A台因匯流排故障也跳脫，B台雖然啟動了，卻無法激磁而無法供電。之後，一台久未使用的「第五台緊急柴油發電機」置入B串匯流排，第一次啟動後也跳脫，再次啟動後，才於2點54分順利供電，解除危機參考參考。
「第五台緊急柴油發電機」是1994年起，台灣各核電廠陸續加增的設備參考。不過據傳，「電廠內部大家都知道這是當年基於國民外交，向德國買的新型便宜貨，買來就一直丟在那邊，沒什麼保養，沒想到關鍵時候還能派上用場」參考。
在當年的標準中，這起事故被分類為第3類A級，即「無放射性物質外洩」之「廠區緊急事故」。不過，如果是依現行標準，當年的核三全黑事件的分類則會是更加嚴重的「全面緊急事故」註釋 。
核三2001年318的全黑事件，常被稱為「3A事件」。其中的「3A」，源自當年的事故分類標準。
在當年的標準中，將事故由輕至嚴重，分為一至四類：「異常事件」、「緊急戒備」、「廠區緊急事故」、「全面緊急事故」。在四類裡面，又依據要採取的應變措施，至多細分到A、B、C三級。
核三318全黑事件，當年在嚴重程度上，因喪失廠外電源及所有廠內交流電源，且持續達十五分鐘以上，被劃分為第二嚴重的「廠區緊急事故」（第三類），而因為沒有放射性物質外洩，應對措施上被歸為「A級」。（參考：核安會報告、核四環評書件第10章）
不過，若是依據現行的〈核子事故分類通報及應變辦法〉，核三當年的情況已達「長時間喪失所有交流電源，或喪失所有交流電源持續30分鐘（含）以上且喪失所有直流電源持續15分鐘（含）以上」，已經屬於最嚴重的「全面緊急事故」類別。
沒發現喪失161kV外電84天
2013年4月8日起，核三廠進行2號機的起動變壓器大修與匯流排改接作業，使得2號機喪失161kV外電。雖然控制室對應的警報燈一直亮，但相關人員卻覺得只是維修期間造成的誤警報。一直到7月1日，大修與改接作業完成後，持續出現警報，相關人員才發現喪失161kV外電。
整起事件長達84.2天，造成爐心熔毀機率提升2.7倍（由每年百萬分之6.3升高至17.1）參考參考。
清除南灣污染海砂
1993年4月29日，核三廠1號機大修時，更換用過燃料池水的過濾器漏水，漏水流至廢料桶儲存區集水池，造成廢料廠房淹水並經道路溢流至雨水排放渠道，導致約5,000加侖的放射性廢水經排水渠道排放出去，污染到遊憩沙灘南灣附近的岸沙。
核三廠後續將雨水排放渠道出水口附近的海砂挖掘起來，共挖了247桶。挖起來的海砂，先貯放於暫存庫，之後隨著輻射劑量小於外釋標準後，被拿去作為核三廠廠區內非放射性事業廢棄物掩埋場的覆土使用。
潛水工人死亡
1984年底，3名台電約聘工人龔興旺、張順吉、董榮吉死亡。
3人背景不同，死亡證明開立的死因不同，分別包括「胰臟炎及胃惡性腫瘺」、「尿毒及肝硬化」、「敗血症休克及肺結核感染」。
但共通的，3人都在1984年5月，在核三廠試運轉期間，進行了入水口管道的潛水清潔工作，分別在當年7、8月出現症狀，並在該年9到11月間死亡參考。
台電否認3人與3人的死因與核電廠有關。但從共通性的5月潛水工作、密集的發病與死亡時間，極可能為急性輻射症後群。
多次火災
1985年7月7日，商轉才一年的核三廠就發生了嚴重的火災事件「七七大火」。下午5點23分，1號機低壓汽機8片葉片折斷，發電機氫氣漏出引發火災；1號機事故後停機，停了1年2個月，直到1986年9月11日才再啟動。台電表示，事後調查是奇異公司汽機設計不良，奇異賠償台電新的發電機，但造成核三廠1號機長期停止運轉的巨額損失參考參考。
2009年6月12日下午3點13分，核三廠345kV起動變壓器MC-X04突然發生火警，不只電廠出動廠內消防隊，且因火勢過大，進一步請求恆春消防分隊支援滅火。事後分析事故起因，是因為設備保養疏漏，在檢修及除鏽油漆作業時，都沒發現高壓套管膨脹室上方有鏽蝕穿孔現象。鏽蝕穿孔破壞了絕緣，引起閃絡效應，使絕緣油膨脹並分解出可燃性氣體，衝破高壓套管噴出後，接觸空氣引發火災。事件起火的是MC-X04起動變壓器，但事後檢查另一台MC-X01起動變壓器，發現一樣已經出現鏽蝕問題。參考參考
2009年11月20日，2號機第18次大修期間，圍阻體內進行「迴旋爬梯安裝」工程，動火員於166呎熔切平台欄杆時，產生之火花噴落至置於148呎之氧氣瓶與乙炔瓶氣管綑後造成氣管引燃，以及鄰近之布套袋燃燒參考。
2015年4月26日，核三廠2號機輔助變壓器火警，引發機組跳脫。屏東縣政府認為沒有被通報，相當不滿，以公共危險罪移送核三廠相關人員參考參考參考。
2025年3月6日，核三廠1號機已屆期停止運轉，2號機距離屆期停止運轉最後2個月，核三廠開始拆除一些不再使用的固定式設備。在進行空壓機廠房外冷卻水塔管路切割作業時，造成冷卻水塔起火燃；台電公司初步研判，是高溫熔渣噴濺到冷卻水塔內，點燃聚氯⼄烯（PVC）材質物件引起火災，加上強風使火勢蔓延波及另只冷卻水塔，最終導致兩只冷卻水塔燒毀參考。
燃料棒貨車車禍
1999年2月9日凌晨一點多，一輛運送核燃料的拖車在前往核三廠路途中，駕駛酒駕，在台17號東港大潭路段，衝入路邊的民宅，造成司機李仁凱跟一名保警兩人輕重傷參考參考。
2支毛刷
2017年核三廠2號機大修期間，4月28日在爐心底板發現一支毛刷。因為總共有6支毛刷，廠內開始找尋其它5支，在隔天找到另外3支，但還有2支沒有找到。5月1日，核三廠通報原能會時，並沒有提到還沒找到的2支，直到5月25日，原能會審查大修啟動前的會議簡報，才知道有2支毛刷沒找到。
這起事件的嚴重性在於，核三廠不能排除，遺失的2支毛刷被遺留在爐心內的可能性。原能會要求核三廠應盡力找出，否則須進行更完整的影響評估。隔天5月26日，核三廠於廢料廠房用高壓空氣對剪除的套管逐支吹管，終於尋獲剩餘之2支毛刷。