从反应堆内部的过程来看，沸水堆最大的特点就是在堆芯内出现了蒸汽。这些夹在水流中的小汽泡，对链式核反应究竟会产生什么影响呢？这是首先必须解决的问题。
沸水堆与压水堆相似，也用普通水作为冷却剂和慢化剂。当堆芯中一部分水被汽泡所代替时，堆芯内的慢化剂减少了，因此会使反应性有所下降。然而另一方面，普通水在堆芯内会吸收掉一些中子。当它被汽泡排挤出堆芯时，中子的损失减少了，因此又可使反应性有所提高。汽泡对反应性的这种正负两方面的影响，叫做“空泡效应”。在沸水堆的设计中，要尽量使空泡效应为负值，即当堆芯内含汽量增多时反应性下降，使功率的增长能自动地受到抑制。这种“自稳”的能力，可以增加反应堆运行的安全性。
堆芯内的大量汽泡不仅产生空泡效应，它们还处于不断的变化和运动之中。汽泡在堆芯内不断地产生出来，并与水一起流动，这个过程是非常复杂的。人们曾担心，混乱的沸腾过程和汽水流动中的不稳定现象，会不会造成反应堆失控？
经过对汽水流动的深入研究，专家们发现汽泡并不像原来想象的那样不可捉摸，对它们的运动规律可进行定量计算，从而能防止汽水流动进入不稳定的状态。因此，可以允许堆芯内出现沸腾现象，沸水堆的运行是可靠的。
最早致力于沸水堆研究工作的是美国通用电气公司。1957年10月24日，第一座沸水堆核电站——瓦莱雪脱斯核电站，在美国加利福尼亚州投入运行。其发电功率为5000千瓦。它实际上是一个试验装置，为建造大型的沸水堆核电站提供经验。
1960年8月，在芝加哥西南80千米处建成了当时世界上功率最大的核电站——德累斯顿沸水堆核电站，其电功率为18万千瓦。它以十分优异的运行记录，不仅确立了这种堆型在核电事业中的地位，而且立即吸引了国外市场。一时之间，意大利、联邦德国、荷兰、印度、日本、西班牙、瑞士、瑞典等国家纷纷提出订货，沸水堆一时名声大振，红得发紫，并迅速地向更大的功率挺进。1969年，牡蛎湾核电站的功率达67万千瓦；1973年，勃朗斯·费莱核电站的功率已达106.5万千瓦，与当今大型压水堆的单堆功率不相上下。
沸水堆由包容堆芯的钢制容器及与其相连的许多辅助系统所组成。水由下向上通过堆芯，然后在堆芯外围与钢容器内壁间的环形腔内下降，不断地进行再循环。堆芯中产生的蒸汽，与再循环水分离后，在容器顶部进行干燥，那里设有高效率的汽水分离装置。在环形腔内，还布置有好多个喷射器，它们的作用是提高冷却剂再循环的能力。喷射器的动力来自两台离心泵，它们从容器中吸取三分之一的堆芯流量，然后以更高的压力使它流过喷射器的喷嘴。喷嘴出口的高速水流带动环腔内的水流，一起进入堆芯进行再循环。现代沸水堆的核燃料，采用低浓二氧化铀，铀-235的浓度约为2％。燃料在高温高压下烧结成芯块，芯块放在锆合金管内组成燃料棒。很多根燃料棒按6×6、7×7或8×8排列成正方形的燃料组件。很多个燃料组件放在一起成为堆芯。这种构造和压水堆有很多相似之处，所不同的是沸水堆燃料元件之间的间距较大，可使汽水混合物流动畅通。
沸水堆的控制棒用碳化硼制成，具有十字形的断面。由于反应堆顶部已被汽水分离装置占有，因此，十字形断面的控制棒，都由容器的底部自下而上，插到四个燃料组件之间的间隙中，这也是区分压水堆和沸水堆的标志之一。调整插入的深度，即可控制堆芯的反应性，从而调整反应堆的功率。除了利用控制棒以外，沸水堆还可依靠改变堆芯内冷却剂的流动速度来控制反应性。流动速度的变化，可引起堆芯含汽量的变化，用这种方法可使反应堆的运行功率改变25％左右。
沸水堆运行时的最大特点，是蒸汽中含有放射性。当冷却剂流过堆芯时，水分子中的元素氧-16，吸收中子后会放出质子而转变成氮-16。氮-16的半衰期只有7.35秒，在衰变时放出高能的γ射线，因此具有很强的放射性。这个现象在压水堆核电站中也存在，但氮-16只限于在一回路内循环流动。而在沸水堆核电站中，它随着蒸汽进入汽轮机装置的汽水回路，得采取措施，把汽水回路屏蔽起来，还要对所有可能从汽水系统排出的蒸汽，加以凝结和回收。
目前已运行的核电站中，沸水堆的数量仅次于压水堆，占第二位。它在热效率、单堆功率、运行的安全可靠性方面，都与压水堆不相上下。在各种堆型的剧烈竞争中，它显然是向压水堆冠军地位挑战的最强劲的对手。