天然气发电厂利用简单循环或联合循环能量转换。简单循环系统在单个转换系统中消耗天然气，例如燃烧式涡轮机、带有蒸汽轮机的锅炉或内燃机。在这些系统中，来自一次转换排气热的能量会损失掉，并且不会发送到另一个涡轮机。联合循环系统将燃烧式涡轮机排出的热量输送到热回收蒸汽发生器，为一个或多个产生额外电力的蒸汽轮机加压。

联合循环系统在将单位天然气转换为单位电力方面往往更有效。由于效率的提高，联合循环系统通常以比简单循环系统更高的容量因数运行。因此，联合循环系统通常服务于电网的基本和中间负荷，而简单循环系统通常服务于峰值负荷。

EIA的电力年度调查收集了一个单元代码标识符，将联合循环部件分组到功率块中。功率块配置差异很大，包括多个燃烧式涡轮机支持一个或多个蒸汽轮机等配置。大多数联合循环发电机组都有燃烧和蒸汽轮机部件，每个部件都与发电机相连。然而，13吉瓦的联合循环容量是单轴系统，其中燃烧和蒸汽涡轮机在一根轴上驱动一个公共发电机。

就发电量而言，美国最大的天然气联合循环发电厂是佛罗里达电力与照明公司的西县能源中心。西县能源中心由三个3x1 发电机机组组成，或总共12个燃烧和蒸汽涡轮机。三个发电机组中的额定功率均为1259兆瓦，使该工厂的总装机容量达到3777兆瓦。西县能源中心2021 年发电量20.3太瓦;到2021年，只有5座核电厂和1座燃煤电厂发电量增加。

自2015年以来，联合循环发电机组的平均容量有所增加，当时一种新型燃烧式涡轮机变得更加普遍。这些较新的燃烧式涡轮机允许联合循环发电机组具有更大的容量和更高的效率。2x1发电机组的平均容量从2015年之前建造的500兆瓦增加到2015年之后建造的超过700兆瓦。