Institutet för vetenskap och internationell säkerhet säger bilder av Yongbyon anläggningen visar mönster av smältande snö som tyder på ny aktivitet.
Yongbyons reaktor stängdes 2007 men startades om 2013.
Sexnationsförhandlingar som syftar till att avsluta Nordkoreas kärnenergiprogram har stoppats sedan början av 2009.
I tankesmedjans rapport sägs det att dess bedömning i slutet av 2014 var att reaktorn i Yongbyon, i landets västra del, hade "stängts eller delvis stängts ner" men nyare bilder tyder på att anläggningen "kan vara i drift med låg effekt eller intermittent".
Förutom mönster av smältande snö, satellitbilder också sägs fånga en ström av varmt vatten som kommer ut ur reaktorns urladdningsrörledning och ånga stiger från turbinen.
Denna undersökning är en kraftfull påminnelse om att Nordkoreas kärnvapenprogram inte har försvunnit.
Det visar också den viktiga roll som oberoende analytiker med tillgång till civila satellitbilder kan spela för att bidra till att offentliggöra vad som tidigare skulle ha varit topphemligt material som endast finns tillgängligt för en handfull regeringar.
Vintern snö och is ger en användbar miljö för att avslöja talande tecken på att Yongbyon reaktorn kan ha startat om. Det råder fortfarande stor osäkerhet om omfattningen av Nordkoreas kärnvapenarsenal.
Nyligen kinesiska kärnexperter gav sina amerikanska motsvarigheter med en ny bedömning av Nordkoreas kärnvapen kapacitet tyder på att det redan kan ha 20 stridsspetsar med kapacitet att fördubbla denna total till nästa år. USA:s beräkningar är mycket mer försiktiga.
Det innebär att Pyongyang under de senaste 12 åren har utvecklat en växande arsenal som många ser som ett betydande hot mot regionen.
År 2008 lämnade Nordkorea sexpartssamtalen med Sydkorea, USA, Kina, Japan och Ryssland om kärnvapennedrustningen.
De andra länderna har sedan dess försökt övertala Nordkorea att återvända till förhandlingsbordet.
Tidigare i år erbjöd sig Nordkorea att stoppa kärnvapenproven om USA slutade hålla militära övningar med Seoul, men erbjudandet avslogs.
Nordkorea har genomfört tre kärnvapenprov under 2006, 2009 och 2013.
Även på torsdag, Ryssland sade den nordkoreanska ledaren Kim Jong-un hade ställt in sina planer på att delta i andra världskrigets segerhögtid i Moskva.
Besöket nästa vecka skulle ha varit hans första utlandsresa sedan han tog makten för tre år sedan. En talesman för Kreml sade dock att Kim hade beslutat att stanna i Nordkorea på grund av "inre frågor".
En amerikansk tankesmedja säger att satellitbilder tagna tidigare i år tyder på att Nordkorea kan ha startat om en av sina kärnreaktorer.