Hitachi är att köpa Horizon Nuclear Power, som var tänkt att bygga reaktorer på befintliga platser i Wylfa, Anglesey och Oldbury, nära Bristol.
Hitachi köper Horizon från Tysklands E.On och RWE, som drar sig tillbaka från den brittiska kärnkraftsmarknaden.
Premiärminister David Cameron sade att det var ett stort steg för Storbritannien.
"Det här är ett mångmiljardlångt förtroendevotum i Storbritannien som kommer att bidra med viktig ny infrastruktur för att driva vår ekonomi.
"Det kommer att stödja upp till 12 000 arbetstillfällen under byggandet och tusentals fler permanenta högkvalificerade roller när de nya kraftverken är i drift, samt stimulera spännande nya industriella investeringar i Storbritanniens kärnkraftsförsörjningskedja. Jag välkomnar varmt Hitachi som en stor ny aktör i den brittiska energisektorn," sade han.
Av Jorn MadslienAffärsreporter, BBC News
Hitachis förvärv av Horizon Nuclear Power är början på en resa.
Det japanska företaget säger att det vill investera miljarder pund och skapa tusentals arbetstillfällen i Storbritannien, eftersom det hjälper till att bekämpa förutsagd energibrist under de kommande åren.
Men inga fasta investeringsåtaganden kommer att göras förrän regeringen kommer fram till ett minimipris för kärnkraft.
Och om det priset visar sig vara för lågt, finns det ingen garanti för att Hitachi kommer att gå vidare med sina planer.
Kärnkraftsaffären står fortfarande inför hinder
De brittiska ingenjörsföretagen Babcock International och Rolls-Royce har tecknat preliminära avtal för att ansluta sig till Hitachi-affären, som det japanska företaget sade skulle vara slutförd i slutet av november.
Det kommer då att finnas regulatoriska frågor att klara, men när Hitachis reaktordesign har godkänts av de nödvändiga myndigheterna har företaget för avsikt att bygga 6 gigawatt kärnkraftskapacitet, med det första kraftverket som genererar kraft under första halvan av nästa årtionde.
Upp till 6 000 arbetstillfällen förväntas skapas under varje byggarbetsplats, ytterligare tusentals i leveranskedjan och ytterligare 1 000 permanenta arbetstillfällen på båda platserna en gång i drift.
Horizon-projektet, baserat på Brockworth, Gloucester, sysselsätter för närvarande cirka 90 personer och startades 2009 som en del av satsningen på att uppfylla Storbritanniens mål för koldioxidminskning och trygga energiefterfrågan när gamla kraftverk avvecklas.
Men RWE och E.On satte upp verksamheten till försäljning i mars efter Tysklands drag att överge kärnkraft i kölvattnet av Japans Fukushima katastrof.
Ett konsortium bestående av EDF och British Gas-owner Centrica har behållit sitt intresse, men de två företagen har fortfarande att besluta om att bygga två reaktorer vid Hinckley Point, Somerset.
Företag som är verksamma inom kärnkraftsindustrin har uttryckt försiktighet inför inträdet på den brittiska marknaden. På grund av de enorma kapitalkostnaderna, som sträcker sig över många år, vill företagen ha viss säkerhet om hur mycket de kan få betalt för den el som deras anläggningar producerar.
Förra veckan sa chefen för EDF, Vincent de Rivaz, till riksdagsledamöterna att hans företag behövde garantier från regeringen för att ekonomin för framtida kärnkraftsavtal skulle vara "rättvis".
Förseningar när det gäller beslutsfattande och finansiering har lett till tvivel om att ny kraftkapacitet kommer att komma igång innan befintliga anläggningar stängs av. Ett så kallat "energigap" kommer sannolikt att leda till stigande priser och ett större beroende av gasimport.
Tidigare denna månad, energitillsynsmyndigheten Ofgem varnade för att Storbritannien riskerar att få slut på energiproduktionskapacitet under vintern 2015-16. I rapporten förutspåddes att den outnyttjade kapaciteten skulle minska från 14 procent nu till endast 4 procent på tre år.
Regeringen sade dock att dess kommande energilag skulle se till att det fanns en säker försörjning.
Med så många osäkerheter kvar att lösa, investeringar i den brittiska kärnkraftssektorn var fortfarande en "stag av tro", säger George Borovas, chef för kärnkraftsprojekt på den globala advokatbyrån Pillsbury. Så, sade han, Hitachis beslut var en "betydande... förtroendeomröstning för Förenade kungarikets kärnkraftsprogram".
Hitachis föreslagna anläggningar kommer att använda sin avancerade kokvattenteknik, som redan används i fyra reaktorer i Japan. Umberto Borovas sade att denna teknik var en "bevisad framgång", och tillade: "Detta bör vara till stor hjälp när det gäller dess licensiering i Förenade kungariket och öppnar även möjligheten till betydande exportkreditorgan och kommersiell finansiering från Japan."
Energi- och klimatminister Ed Davey sade: "Hitachi för med sig årtionden av expertis, och är ansvariga för att bygga några av de mest avancerade kärnreaktorer i tid och på budget, så jag välkomnar deras åtagande att bidra till att bygga en koldioxidsnål, säker energi framtid för Storbritannien."
Skuggenergiminister Caroline Flint uppmanade regeringen att använda detta som en möjlighet att uppmuntra investeringar i kärnforskning och kärndesign.
Unioner välkomnade också Hitachis drag, med Mike Clancy, generalsekreterare utsedd av Prospect, säger: " Horizon-projektet är en viktig milstolpe för att säkra framtida energiproduktionskapacitet med låga koldioxidutsläpp i Storbritannien och dess betydelse för lokala och nationella ekonomier kan inte överskattas.
"Trots att Hitachis avancerade konstruktion av kokvattenreaktorer ännu inte har genomgått Storbritanniens allmänna process för godkännande av konstruktion, är det en beprövad teknik och därför kommer alla konstruktioner i Storbritannien att dra nytta av lärdomar från sin konstruktion i Japan."
Storbritanniens kärnvapenexpansionsplaner har förstärkts efter att Japans Hitachi undertecknat ett avtal på 700 miljoner pund som ger landet rätt att bygga en ny generation av kraftverk.