Le thorium est un métal naturellement radioactif que l'on trouve surtout comme minéral associé dans la monazite. Chimiquement proche de l'uranium, il est longtemps considéré comme une ressource candidate pour de futurs cycles du combustible nucléaire à base de thorium. Dans le domaine nucléaire, le thorium 232 capte des neutrons et est converti en uranium 233 fissile, formant le cycle du thorium qui, par rapport aux réacteurs conventionnels à combustible uranium, offre des avantages potentiels tels qu'une radiotoxicité plus faible des déchets et une ressource de combustible plus abondante ; plusieurs pays exploitent des réacteurs de recherche et des programmes expérimentaux explorant cette voie. Dans l'industrie, le dioxyde de thorium fut autrefois le matériau central des manchons incandescents pour lampes à gaz : le thorium contenu dans le manchon émet une lumière blanche brillante à haute température, ce qui constitua la plus grande utilisation commerciale du thorium au début du XXe siècle et a aujourd'hui été remplacé par des oxydes de terres rares et des LED. En soudage, les électrodes de tungstène contenant environ 2 % de thorium (électrodes de tungstène thorié) sont utilisées depuis longtemps comme électrodes non consommables dans le soudage TIG, car le thorium améliore l'émission électronique et la stabilité de l'arc ; toutefois, les préoccupations radiologiques conduisent progressivement à les remplacer par des électrodes sans thorium au cérium-tungstène et au lanthane-tungstène. De petites quantités de thorium ont également été utilisées dans des creusets résistants à la chaleur et comme additif dans le verre optique de spécialité.
Le dioxyde de thorium (ThO2), du fait de son point de fusion extrêmement élevé et de sa stabilité chimique à haute température, servait à fabriquer des manchons de lampes à gaz et des creusets réfractaires, et constitue également la forme principale des pastilles de combustible dans le cycle du thorium. Le nitrate de thorium (Th(NO3)4) était historiquement le composé clé pour fabriquer les manchons de lampe : le tissu était plongé dans une solution de nitrate de thorium puis enflammé, laissant un revêtement lumineux d'oxydes de thorium et de terres rares ; aujourd'hui, il n'est utilisé qu'en petites quantités dans le traitement en amont du combustible nucléaire. Le tétrafluorure de thorium (ThF4) est un intermédiaire important dans le retraitement du combustible au thorium et la recherche sur les réacteurs à sels fondus, servant à purifier le thorium du minerai et à préparer le thorium métallique ; à l'heure actuelle, il n'existe qu'en petits lots dans les laboratoires et les réacteurs de démonstration.
