Chaque étape de la production énergétique, depuis l'extraction du minerai contenant l'uranium jusqu'au traitement du combustible usagé, produit des déchets radioactifs, mais il s'agit surtout des résidus miniers lors de l'extraction : les roches sans ou contenant trop peu d'uranium. Par exemple la production de 900 megawatts d'électricité requiert 20 tonnes d'uranium soit l'extraction de 17 000 tonnes de minerai d'uranium. Le volume total de résidus miniers est estimé à 938 millions m³, réparti dans plus de 4000 mines autour du monde.
Cependant l'utilisation d'uranium recyclé du combustible usagé, de l'uranium de qualité militaire et des réserves civiles permet de diminuer la quantité à extraire chaque année (de moitié en 2003).
Il existe 3 procédés d'extraction : en surface, souterraine (mécaniques), ou par dissolution. L'extraction par dissolution (ISL en anglais pour "in situ leaching") ne laisse pas de résidus mais peut polluer les eaux souterraines. Les résidus miniers contiennent tous les radioisotopes de la chaîne de désintégration de l'uranium, notamment : le thorium ²³⁰Th (demi-vie : 77 000 ans), le radium ²²⁶Ra (demi-vie : 1 600 ans) et le radon ²²²Rn (demi-vie : 3,8 jours).

Les Etats-Unis constituent un cas d'étude car il s'agit du pays avec la régulation la plus stricte concernant la gestion des résidus miniers. Ces déchets sont stockés dans des décharges le plus souvent enterrées, qui doivent rester efficaces durant 1000 ans, au minimum 200 ans. Les régulations américaines ont les objectifs suivants : réduire les émanations de radon, éviter la dispersion des résidus par érosion de la structure, réduire la pollution par fuite, et évaluer les risques pour le public et pour l'environnement, en particulier les risques de pollution des eaux souterraines.

La défaillance des structures de confinement (érosion, fuite) constitue une part majeure de l'impact environnemental de la production nucléaire. Par exemple la rupture d'un barrage dans un complexe de stockage des résidus d'uranium à Church Rock, Nouveau Mexique, a causé le déversement de 370 000 m³ d'eau radioactive et 1000 tonnes de sédiment contaminé dans le Rio Puerco, sur 110 km.

La rupture du barrage retenant les résidus de la mine de pyrite d'Aznalcóllar, Espagne, constitue une catastrophe comparable au déversement accidentel de résidus d'uranium (de part la présence des mêmes éléments toxiques), et ses conséquences géochimiques et biologiques ont été bien documentées. L'événement, en 1998, a affecté 4286 hectares de rivières.

• Après 1 an, les niveaux d'arsenic, cadmium, plomb et zinc étaient toujours 7 à 55 fois les niveaux normaux dans les eaux contaminées. Les eaux de rivière échantillonnées 2,6 km en aval de la mine avaient un pH faible (4,4) et des concentrations en sulfate élevées (~1g/L) (Hudson-Edwards et al. 2003).
• La qualité de l'eau montre une amélioration à partir de 2002 (Olías et al. 2006).
• Les effets sur des organismes ont été évalués par Bonilla-Valverde et al. (2004) en utilisant l'espèce Mus spretus (la souris d'Afrique du Nord, naturellement présente dans toute l'Espagne), comme bioindicateur. La plupart des biomarqueurs, en particulier les enzymes antioxidantes, montrent une réponse plus importante, attribuée aux effets pro-oxidants des métaux déversés et suggérant la pollution progressive des écosystèmes de la région.
• Les concentrations de métaux lourds dans les tubercules de Scirpus maritimus (plante dont se nourrissent les oies dans la région) sont plus élevées que pour les spécimens provenant de zones non polluées (Madejón et al. (2006).

L'auteur présente plusieurs cas de contamination accidentelle, en citant les publications de suivi des écosystèmes concernés (en fait principalement des suivis de qualité de l'eau ou des sols, seules 3 études citées ont mesuré l'impact sur des organismes). De plus le principal événement documenté concerne la pollution par une mine de pyrite et non d'uranium (même si l'auteur affirme que les situations sont comparables).