Den høye temperaturen og tettheten ved begynnelsen av Big Bang innebærer at i en kort periode kunne protoner og nøytroner fusjonere til tyngre kjerner. Denne prosessen er kjent som Big Bang-nukleosyntese. Gitt forholdet mellom antall nøytroner og antall protoner på dette tidspunktet forutsier Big Bang-modellen i hvilke mengder de ulike grunnstoffene ble laget. De grunnstoffene som ble dannet i nukleosyntesen er deuterium, helium-3, helium-4 og litium-7. Forutsigelsen fra modellen er i tilfredsstillende overensstemmelse med observasjoner.