Ένα χημικό στοιχείο είναι ένας τύπος ατόμου, όπως το υδρογόνο ή το οξυγόνο. Από το 2011, είχαν παρατηρηθεί 118 στοιχεία, με 98 από αυτά να εμφανίζονται φυσικά στη Γη. 20 στοιχεία δημιουργούνται τεχνητά σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ή πειράματα επιταχυντών σωματιδίων. Το πρώτο συνθετικό στοιχείο που δημιουργήθηκε σε σημαντικές ποσότητες ήταν το πλουτώνιο, το στοιχείο 94. Το πλουτώνιο είναι επίσης το βαρύτερο άτομο που βρίσκεται φυσικά στη Γη. Με χρόνο ημιζωής μόλις 80 εκατομμυρίων ετών, το πλουτώνιο εμφανίζεται σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες στα μεταλλεύματα ουρανίου.
Τα σημερινά χημικά στοιχεία προέρχονται από μία από τις τρεις πηγές: πυρηνοσύνθεση σουπερνόβα, αστρική πυρηνοσύνθεση και πυρηνοσύνθεση του Big Bang. Η πυρηνοσύνθεση συμβαίνει όταν οι ατομικοί πυρήνες συμπιέζονται μεταξύ τους τόσο στενά και σε τόσο υψηλή θερμότητα που ξεπερνούν την αμοιβαία απώθηση των κελυφών ηλεκτρονίων τους και παράγουν βαρύτερους πυρήνες. Με αυτόν τον τρόπο, πυρήνες υδρογόνου μπορούν να συντηχθούν σε πυρήνες ηλίου, οι οποίοι μπορούν με τη σειρά τους να συντηχθούν σε πυρήνες άνθρακα, εάν επιτευχθούν συνθήκες επαρκούς θερμοκρασίας και πίεσης.
Στην αρχή, το σύμπαν ήταν τόσο καυτό και πυκνό που δεν αποτελούταν μόνο από ελεύθερα κουάρκ – τα συστατικά των πρωτονίων και των νετρονίων – ηλεκτρόνια και ακτινοβολία. Μετά από ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, τα κουάρκ άρχισαν να συντήκονται σε βαρυόνια: πρωτόνια και νετρόνια. Για τα πρώτα είκοσι λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία του σύμπαντος ξεπέρασε αυτή στο κέντρο των φωτεινότερων άστρων, με πυκνότητα μεγαλύτερη από τον αέρα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρούστηκαν ενεργειακά για να σχηματίσουν μεγαλύτερους πυρήνες: το δευτέριο και δύο ισότοπα ηλίου. Το 25 τοις εκατό όλης της ύλης στο σύμπαν μετατράπηκε σε ήλιο, με περίπου 75 τοις εκατό υδρογόνο, μαζί με ίχνη βαρύτερων στοιχείων όπως το λίθιο. Αυτό είναι παρόμοιο με την αναλογία της τρέχουσας ημέρας των χημικών στοιχείων.
Τα πρώτα αστέρια σχηματίστηκαν περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ξεκινώντας μια άλλη μορφή νουκλεοσύνθεσης που ονομάζεται αστρική πυρηνοσύνθεση. Στην αστρική πυρηνοσύνθεση, η πολύ συμπιεσμένη ύλη στο κέντρο ενός άστρου υφίσταται πυρηνική σύντηξη, απελευθερώνοντας μεγάλες ποσότητες ενέργειας και εξισορροπώντας τις δυνάμεις της βαρύτητας που ενεργούν για την κατάρρευση του αστέρα. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως μια βόμβα H-βόμβα που εκρήγνυται συνεχώς. Στοιχεία μέχρι τον σίδηρο στον περιοδικό πίνακα σχηματίζονται στην αστρική πυρηνοσύνθεση.
Για να δημιουργηθεί ένα στοιχείο που είναι βαρύτερο από τον σίδηρο απαιτείται ένας άλλος τύπος πυρηνοσύνθεσης, η πυρηνοσύνθεση σουπερνόβα. Οι σουπερνόβα εμφανίζονται όταν τα αστέρια καταρρέουν καταστροφικά αφού καταναλώσουν όλο το πυρηνικό τους καύσιμο στους πυρήνες τους. Το ατμοσφαιρικό περίβλημα του αστεριού καταρρέει προς τα μέσα λόγω της βαρύτητας, αναπηδώντας από έναν πυρήνα που αποτελείται από σχεδόν ασυμπίεστη ύλη «εκφυλισμένης ηλεκτρονίων». Κατά τη διάρκεια αυτής της απότομης αναπήδησης, αρκετά τοις εκατό του υλικού του αστεριού συγχωνεύεται σε βαρύτερα στοιχεία σχεδόν ακαριαία. Αυτό απελευθερώνει αρκετή ενέργεια ώστε ο σουπερνόβα να ξεπεράσει τον γαλαξία του για μέρες ή εβδομάδες. Στοιχεία βαρύτερα από τον σίδηρο συντίθενται κατά τη διάρκεια αυτού του απίστευτα ενεργητικού κοσμικού γεγονότος.