Nuklearna fuzija lahkih elemenata oslobađa energiju koja uzrokuje sjaj zvijezda i eksploziju hidrogenske bombe. Nuklearna fuzija težih elemenata (apsorpcija energije) javlja se pri ekstremnim uslovima visoke energije ili pri eksploziji supernove. Nuklearna fuzija kod zvijezda i supernovi je glavni proces kojim se stvaraju novi prirodni elementi. Ova reakcija se koristi kod dobijanja fuzione energije. Potrebna je znatna energija da bi se izazvala nuklearna fuzija, čak i kod elemenata koji imaju najmanju masu, kao što je vodik. Fuzijom lakših jezgra stvara se teže jezgro i slobodan neutron, obično se oslobađa više energije nego što je potrebno da bi se jezgra spojila. To je jedan egzoterman proces koji može stvoriti samoodržive reakcije. Energija koja se oslobađa u većini nuklearnih reakcija je mnogo veća od energije hemijskih reakcija, zato što je energija veze koja drži nukleone u jezgru zajedno mnogo puta veća od energije koja drži elektrone oko jezgra atoma. Naprimjer, ionizacijska energija koja se dobija dodavanjem elektrona jezgru atoma vodika je 13,6 elektron volti, manje od milionitog dijela od 17 MeV energije koja se oslobađa u D-T (deuterij-tricij) reakcijama. Glavne faze ciklusa nuklearne fuzije kod zvijezda razradio je naučnik Hans Bethe.