Chu trình CNO (cho carbon–nitrogen–oxygen) là một trong hai chuỗi phản ứng nhiệt hạch mà các ngôi sao chuyển hydrogen về helium, chuỗi còn lại là chuỗi phản ứng proton–proton (phản ứng dây chuyền pp). Không như chuỗi pp, chu trình CNO là một chu trình xúc tác. Nó đóng góp chính trong các ngôi sao nặng gấp 1.3 lần khối lượng Mặt Trời. Trong chu trình CNO, bốn proton tổng hợp nhiệt hạch, sử dụng các đồng vị carbon, nitrogen, và oxygen như là chất xúc tác, để sản xuất ra một hạt alpha, hai positron và hai neutrino electron. Mặc dù có nhiều con đường và nhiều chất xúc tác trong các chu trình CNO nhưng chúng đều có thể được viết gọn lại là: Các positron hầu hết sẽ hủy với các electron, giải phóng năng lượng dưới dạng các bức xạ tia gamma. Các neutrino thoát khỏi ngôi sao cũng mang một ít năng lượng đi. Một hạt nhân tiếp tục trở thành các đồng vị carbon, nitrogen, và oxygen thông qua một số lượng biến đổi trong một chu trình không có điểm dừng. Chuỗi proton–proton đóng góp chủ yếu trong các ngôi sao có khối lượng hoặc nhỏ hơn khối lượng Mặt Trời. Sự khác nhau này xuất phát từ sự phụ thuộc nhiệt độ giữa hai chuỗi phản ứng; chuỗi phản ứng pp bắt đầu ở nhiệt độ khoảng (4 megakelvin), nó cũng là nguồn năng lượng chính trong các ngôi sao nhỏ. Chuỗi CNO tự duy trì bắt đầu ở khoảng , nhưng năng lượng sinh ra nhanh hơn rất nhiều với sự tăng nhiệt độ do đó nó trở thành nguồn năng lượng chính ở khoảng . Mặt Trời có nhiệt độ lõi khoảng , và chỉ hạt nhân 4He trong Mặt Trời được sinh ra từ chu trình CNO. Chu trình CNO loại I là quá trình được đề xuất một cách độc lập bởi Carl von Weizsäcker và Hans Bethe cuối những năm 1930. Dưới điều kiện thường trong ngôi sao, quá trình đốt hydrogen có xúc tác trong chu trình CNO bị giới hạn bởi các quá trình bắt proton. Đặc biệt, thời gian cho phân rã beta của hạt nhân phóng xạ được sinh ra là nhanh hơn thời gian cho nhiệt hạch. Do thời gian nhiệt hạch dài nên chu trình CNO chuyển hydrogen về helium khá chậm, cho phép chúng tạo ra năng lượng trong sao ở trạng thái cân bằng tĩnh trong nhiều năm. Trong một nhánh phụ của phản ứng trên, xảy ra trong lõi Mặt Trời khoảng thời gian 0.04%, phản ứng cuối cùng liên quan đến 15N cho thấy ở trên không sản xuất carbon-12 và một hạt alpha nhưng thay vào đó sẽ sản xuất ra oxygen-16 và một photon và tiếp tục 15N→16O→17F→17O→14N→15O→15N: Giống như carbon, nitrogen và oxygen trong nhánh chính, fluorine được tạo ra trong nhánh phụ hiếm khi là sản phẩm trung gian và ở trạng thái ổn định, không tích trữ trong ngôi sao. Nhánh phụ này chỉ đóng góp trong các sao nặng. Các phản ứng được bắt đầu khi một trong các phản ứng của CNO loại II tạo ra fluorine-18 và gamma thay vì tạo nitrogen-14 và alpha, và tiếp tục 17O→18F→18O→15N→16O→17F→17O: Giống như CNO loại III, nhánh này cũng chỉ đóng góp trong các sao nặng. Các phản ứng được bắt đầu khi một trong các phản ứng trong CNO loại III tạo ra fluorine-19 và gamma thay vì nitrogen-15 và alpha, và tiếp tục 18O→19F→16O→17F→17O→18F→18O: Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao hơn, như là nhiệt độ và áp suất được tìm thấy ở tân tinh và bùng nổ tia X, tốc độ bắt proton vượt quá tốc tộc phân rã beta, đẩy sự đốt lên đường nhỏ giọt proton. Ý tưởng chính là một loại phòng xạ sẽ bắt một proton trước khi nó phân rã beta, mở ra quá trình đốt hạt nhân mới mà không thể thực hiện ngược lại được. Do nhiệt độ cao hơn nên các chu trình xúc tác này còn được gọi là các chu trình CNO nóng; vì thời gian bị giới hạn bởi các phân rã beta thay vì các quá trình bắt proton, chúng cũng được gọi là các chu trình CNO bị giới hạn bởi beta. Trong khi số lượng toàn phần hạt nhân "xúc tác" được bảo toàn trong chu trình, trong sự tiến hóa của sao tỉ lệ các hạt nhân bị thay đổi. Khi chu trình đạt trạng thái cân bằng, tỉ số hạt nhân carbon-12/carbon-13 có xu hướng về 3.5, và nitrogen-14 trở thành hạt nhân có số lượng nhiều nhất, bất chấp sự tổng hợp ban đầu. Suốt quá trình tiến hóa của sao, sự trộn lẫn đối lưu giữa các tỉ số, trong đó chu trình CNO được vận hành, từ bên trong ngôi sao ra bề mặt, khác với sự tổng hợp quan sát được của ngôi sao. Các sao kềnh đỏ được nhận định khi có tỉ số carbon-12/carbon-13 và carbon-12/nitrogen-14 thấp hơn so với các sao trên dãy chính, nó được xem là bằng chứng cho sự hoạt động của chu trình CNO.