โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิล (อังกฤษ: fossil-fuel power station) เป็นโรงงานผลิตไฟฟ้าที่เผาเชื้อเพลิงฟอสซิลเช่นถ่านหิน, ก๊าซธรรมชาติหรือปิโตรเลียมในการผลิตไฟฟ้า โรงไฟฟ้​​าเชื้อเพลิงฟอสซิลจะได้รับการออกแบบในขนาดที่ใหญ่สำหรับการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง ในหลายประเทศ โรงงานดังกล่าวผลิตส่วนใหญ่ของพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในประเทศ โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิลมีเครื่องจักรในการแปลงพลังงานความร้อนจากการเผาไหม้เป็นพลังงานกลซึ่งจะถูกนำไปเดินเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อไป ตัวผลิตหลักอาจจะเป็นกังหันไอน้ำ, กังหันก๊าซหรือสำหรับโรงงานขนาดเล็กเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบ (อังกฤษ: reciprocating internal combustion engine) โรงงานทั้งหมดนี้ใช้พลังงานที่สกัดได้จากการขยายตัวของก๊าซ แบบอบไอน้ำหรือก๊าซเผาไหม้ แต่ก็มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ Magnetohydrodynamic generator (MHD) ไม่กี่ตัวที่สามารถผลิตไฟฟ้าโดยการแปลงพลังงานของก๊าซร้อนที่กำลังเคลื่อนที่ให้เป็นไฟฟ้าได้โดยตรงผลพลอยได้จากการดำเนินงานโรงไฟฟ้​​าความร้อนจะต้องมีการพิจารณาถึงการออกแบบและการดำเนินงานของพวกมันด้วย พลังงานความร้อนที่สูญเสียซึ่งจะยังคงเกิดจากการที่มีประสิทธิภาพที่จำกัดของวัฏจักรพลังงานของ Carnot cycle, Rankine cycle, หรือ Diesel cycle จะถูกปล่อยออกโดยตรงสู่ชั้นบรรยากาศหรือแม่น้ำ/ทะเลสาบ หรือโดยอ้อมสู่บรรยากาศโดยใช้หอระบายความร้อนด้วยน้ำจากแม่น้ำหรือทะเลสาบมาใช้เป็นสื่อกลางระบายความร้อน ก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิลจะถูกปล่อยออกสู่อากาศ ก๊าซนี้ประกอบด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ พร้อมกับสารอื่น ๆ เช่นไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ซัลเฟอร์ออกไซด์ (SOx) ปรอท, ร่องรอยของโลหะอื่น ๆ , และเถ้าลอยสำหรับโรงไฟฟ้าถ่านหิน เถ้าขยะแข็งจากหม้อไอน้ำถ่านหินก็จะต้องกำจัดออกเช่นกัน เถ้าถ่านหินบางส่วนสามารถนำมารีไซเคิลเป็นวัสดุก่อสร้างได้[1]โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิลเป็นตัวปล่อยที่สำคัญของ CO2 ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกตามความเห็นเป็นฉันทามติขององค์กรทางวิทยาศาสตร์ ว่ามันเป็นผู้มีส่วนร่วมในการสร้างภาวะโลกร้อน เมื่อคิดพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้หน่วยต่อหน่วย ถ่านหินสีน้ำตาลจะปล่อย CO2 ออกมาเกือบสองเท่าของ CO2 จากก๊าซธรรมชาติ และถ่านหินสีดำปล่อย CO2 ออกมาค่อนข้างน้อยกว่าถ่านหินน้ำตาล การดักจับและการเก็บคาร์บอนที่ปล่อยออกมายังทำไม่ได้ในปัจจุบัน