Das Kernkraftwerk Mülheim-Kärlich ist im Zeitraum von März 1986 bis September 1988 bilanziell 13 Monate im Volllastleistungsbetrieb betrieben worden. Seit Aufhebung der 1. Teilerrichtungsgenehmigung von 1975 durch das Urteil des Bundesverwaltungsgerichts vom
9. September 1988 wurde die abgeschaltete Anlage zunächst in den Stillstands- und danach in den Nachbetrieb überführt.

Nach der Atomkonsensvereinbarung zwischen der Bundesregierung und den Energieversorgungsunternehmen vom 11. Juni 2001 hat die RWE Power AG als Betreiberin des Kernkraftwerkes Mülheim-Kärlich am 12. Juni 2001 den Antrag auf Erteilung einer Stilllegungs- und ersten Abbaugenehmigung gestellt. Danach wurde noch im gleichen Monat damit begonnen, die Brennelemente aus der Anlage abzutransportieren. Der letzte Brennelementtransport hat das Kernkraftwerk am 29. Juli 2002 verlassen. Mit diesem letzten Abtransport reduzierte sich das radioaktive Inventar in der Anlage Mülheim-Kärlich um weit über 90 Prozent.

Auf der Grundlage der Genehmigung vom 16. Juli 2004 für die Stilllegung und die Abbauphase 1a des Kernkraftwerks Mülheim-Kärlich wird die Anlage im sogenannten Restbetrieb geführt. Im Restbetrieb werden die Systeme weiter betrieben, die für den Abbau u. a. zur Rückhaltung radioaktiver Stoffe erforderlich sind. Dies sind insbesondere lufttechnische Anlagen im Kontrollbereich, Filtereinrichtungen, die u.a. dem Arbeitsschutz dienen und die radioaktiven Stoffe vor der Abgabe der Abluft über den Fortluftkamin filtern. Zum Restbetrieb gehören u.a. auch die Abwassersammlungs- und -aufbereitungsanlagen, Einrichtungen zur Energieversorgung und zur Aktivitätsüberwachung. Zur ständigen Überwachung der Fortluft und des Abwassers auf radioaktive Belastung werden Messeinrichtungen zur Überwachung der Luft- und Abwasseraktivität betrieben. Begleitend zum Abbaufortschritt erfolgt eine ständige Anpassung  der Restbetriebssysteme.

Seit 2004 sind in dem ehemaligen Kernkraftwerk zahlreiche Anlagenteile insbesondere im Reaktor- und im Reaktorhilfsanlagengebäude (sogenannter Kontrollbereich) abgebaut worden. Im Überwachungsbereich sind alle für den Abbau nicht mehr notwendigen Gebäude,
u. a. das Maschinenhaus, entkernt worden.

Mit dem Bau und der Inbetriebnahme der Freimesshalle und der Freimessanlage im Jahr 2006 wurde die Voraussetzung zur Freimessung der abgebauten Materialien zur Entlassung aus der atomrechtlichen Aufsicht auf dem Anlagengelände geschaffen. Unter der Rubrik Abbaumassen und Abfalltransporte sind die aktuellen Zahlen ersichtlich. Diese Materialien wurden zur Verwertung, Beseitigung, Verkauf oder externen Konditionierung/ Behandlung aus der Anlage abgegeben. Bei den angefallenen Materialien handelt es sich überwiegend (ca. 99%) um nicht radioaktive Stoffe, die gemäß Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz entsorgt werden können. Die übrigen angefallenen Materialien sind radioaktive Rohabfälle, die - soweit möglich - einer Freigabe nach § 29 StrlSchV zugeführt oder andernfalls als radioaktiver Abfall entsorgt werden.

Im Jahr 2009 ist ein Teil des östlichen und Ende 2014 ein Teil des westlichen Anlagengeländes aus dem Regelungsbereich des Atomgesetzes entlassen bzw. freigegeben worden.

Im Jahr 2015 wurde das Anlagengelände auf die für den weiteren Abbau - insbesondere für die radiologisch relevante Abbauphase 2 - noch notwendigen Flächen verkleinert.

Im Juli 2016 starteten die Demontagetätigkeiten zur Abbauphase 2. In dieser Abbauphase wird der sogenannte Primärkreislauf der Anlage abgebaut.