Il processo di fusione nucleare è il meccanismo che alimenta il Sole e le altre stelle; all'interno di esse - tramite la nucleosintesi - si generano alcuni degli elementi piu' pesanti dell'idrogeno che vanno a costituire l'Universo, per la precisione quelli dall'elio fino, nelle stelle di grande massa, al ferro (l'elio e' comunque gia' presente nell'Universo in grandi percentuali fin dai primordi, e la quantita' prodotta nelle stelle costituisce solo una piccola frazione del totale). Gli elementi piu' pesanti del ferro possono invece venire prodotti nelle esplosioni di supernovae, che avvengono quando una stella di grande massa finisce la sua vita. In figura, una rappresentazione del processo che dall'idrogeno porta alla formazione dell'elio.

I nuclei di due o più atomi vengono compressi al punto che la forza nucleare forte permette di superare la reciproca repulsione (causata dalla carica elettrica positiva). Si forma così un nucleo più pesante, la cui massa è leggermente inferiore alla massa complessiva dei nuclei originari.

La differenza in massa è convertita in energia per mezzo della famosa equivalenza massa-energia, formulata da Einstein:

E = mc²

in cui:
E è l'energia;
m è la massa;
c² è il quadrato della velocità della luce nel vuoto.

In questo tipo di reazioni cioè, si libera energia (processo esoenergetico)