深地质处置指在稳定的地质构造中开掘的放射性核废料存放场所，一般在地下300米以下。核废料形态、其包装、场地的密封和防渗以及地质条件等诸多因素决定了储放场所成功与否。对深地质处置的基本要求是长时间将核废料与环境隔绝开来，同时只需要极少或者不需要维护。深地质处置的时间尺度很大，通常从几万年到一百万年。在深地质处置中，盛放在容器中的核废料被以某种方式密封，存放在隧道里。最外面一层防护机制就是地质构造本身（比如岩层）。
长寿命核废料（包括乏燃料）必须长期同人类和环境隔绝。把这些废料存放在稳定地质构造中人工建造的地下储存所（repository）是一种可行的方案。国际裂变材料专门委员会（International Panel on Fissile Materials）曾表示：
“广泛接受的看法认为，乏燃料、核燃料再处理的高放射性废物以及钚废料需要在妥善设计的场所存放几万年到一百万年，以减少其放射性对环境的污染。同时，必须确保钚和高浓缩铀不被用于军事目的。一个基本的共识是，把乏燃料存放于地下几百米的储存场所要比将其堆放在地表更安全。”
非洲克洛天然核反应堆证实了天然地质构造可以有效地隔离放射性核废料。在其运转过程中，该反应堆共产生了5.4吨裂变产物、1.5吨钚以及其他超铀元素。这些钚和其他超铀元素至今仍存在于奥克洛的铀矿中，时间跨度长达20亿年。 考虑到该铀矿经常被地下水浸润，加之铀矿石并非以化学惰性形态存在（比如玻璃态），这相当不同寻常。
地质处置安全，技术上可行，不污染环境已经是专业人士由来已久的共识。但是，许多国家的公众对此仍有疑虑。 深地质处置支持者们面临的挑战之一是证明一个储存所必须长时间可靠，且将来可能的泄露不会对人类健康和环境造成影响。
核燃料再处理并不能减少深地质处置的必要性，但却能够减少核废料的体积以及中长期放射性和衰变热。另一方面，核燃料再处理也无法消除储存所选址的政治和社区风险。
深地质处置已经有几十年的研究历史。实验室测试、探井已经积累了很多数据；建造和运营地下实验室并展开大规模存储实验也在进行中。 世界各国的主要地下研究机构见下表。
德国下萨克森的阿西二号盐矿座落于阿西山中，自1965年以来被用作研究用途。1967年到1978年放射性废物被储存在该矿中。有研究指出，1988年以来该储存所一直在泄露被铯-137、钚和锶等核素污染的盐水；但直到2008年6月这一发现才被公诸于世。
位于德国萨克森－安哈尔特州的莫斯雷本放射性废物储存所也是一座废弃的盐矿。1972–1998年此矿被用于储存核废料。2003年以来，该矿一共浇筑了480,000立方米的混凝土来稳定穹顶，否则盐穹可能塌方。
美国新墨西哥州的废物分离中试厂1999年正式运营。此厂位于卡尔斯巴德附近的地下盐层中。
有人曾提议在澳大利亚和俄罗斯建立国际高放射性废物储存所。但是，该消息在澳大利亚引发公众持续抗议，储存所的建设基本成为泡影。
1978年，美国能源部开始研究内华达核试验场附近的瑜伽山用于长时间地质储存乏燃料和高放射性核废料的可行性。此计划遭到了内华达州核计划局（亦称为“核废料计划办公室”）以及其它一些组织的法律挑战而严重拖延。 奥巴马总统上台后，于2009年在其年度预算中拒绝向该计划拨款，并称其政府将考虑新的核废料处置战略。 2009年3月5日，美国能源部长朱棣文在美国参议院作证时说，瑜伽山作为核废料储存所已经不再是选项之一。至此，至少在奥巴马任内，瑜伽山储存所计划已经寿终正寝。
在德国，关于核废料最终储存所的政治辩论相当激烈， 特别是下萨克森格尔雷本（Gorleben）村村民激烈反对。 在两德统一之前，格尔雷本村位于西德边境，人烟稀少，经济困顿。但在统一之后，该村现在几乎位于德国的中心地带。2010年，默克尔政府决定重新开始格尔雷本作为核废料储存所的早期研究工作。
在目前几个拟议建立深地质处置机构的国家中， 芬兰的昂加洛乏燃料储存所最接近于投入使用。其第一批废料埋藏预定在2020年左右，现在还在等待最终批准。瑞典对乏燃料的深地质处置也走在前列。其国会认为，使用KBS-3技术埋藏乏燃料很安全。
2008年，英国环境、食品和农村事务部（Defra）发表了名为“安全管理核废料”的白皮书。同其它发达国家不一样的是，英国的计划强调自愿甚于地质结构的适用性。2012年6月，英国地质调查局找到了三处可能适合存放核废料的地质结构。2013年1月，英国将决定是否进行下一步。
