Un element chimic este un tip de atom, cum ar fi hidrogenul sau oxigenul. În 2011, au fost observate 118 elemente, dintre care 98 apar în mod natural pe Pământ. 20 de elemente sunt create artificial în reactoare nucleare sau experimente cu acceleratorul de particule. Primul element sintetic care a fost creat în cantități substanțiale a fost plutoniul, elementul 94. Plutoniul este, de asemenea, cel mai greu atom găsit în mod natural pe Pământ. Cu un timp de înjumătățire de numai 80 de milioane de ani, plutoniul apare în cantități extrem de mici în minereurile de uraniu.
Elementele chimice actuale provin din una dintre cele trei surse: nucleosinteza supernovei, nucleosinteza stelară și nucleosinteza Big Bang. Nucleosinteza are loc atunci când nucleele atomice sunt presate împreună atât de strâns și la căldură atât de mare încât depășesc respingerea reciprocă a învelișului lor de electroni și produc nuclee mai grele. În acest fel, nucleele de hidrogen pot fi fuzionate în nuclee de heliu, care la rândul lor pot fuziona în nuclee de carbon, dacă sunt atinse condiții de temperatură și presiune suficiente.
La început, universul era atât de fierbinte și de dens încât nu consta decât din quarci liberi – constituenții protonilor și neutronilor – electroni și radiații. După o milione de secundă, quarcii au început să fuzioneze în barioni: protoni și neutroni. În primele douăzeci de minute după Big Bang, temperatura universului a depășit-o pe cea din centrul celor mai strălucitoare stele, cu o densitate mai mare decât aerul. În această perioadă, protonii și neutronii s-au ciocnit energetic pentru a forma nuclee mai mari: deuteriu și doi izotopi ai heliului. 25% din toată materia din univers a fost transformată în heliu, cu aproximativ 75% hidrogen, împreună cu urme de elemente mai grele, cum ar fi litiul. Acesta este similar cu raportul curent al elementelor chimice.
Primele stele s-au format la aproximativ 300 de milioane de ani după Big Bang, inițiind o altă formă de nucleosinteză numită nucleosinteză stelară. În nucleosinteza stelară, materia foarte compactată din centrul unei stele suferă fuziune nucleară, eliberând cantități mari de energie și echilibrând forțele gravitaționale care acționează pentru a prăbuși stele. Aceasta poate fi considerată ca o bombă H care explodează continuu. Elementele până la fier din tabelul periodic se formează în nucleosinteză stelară.
Pentru a crea un element care este mai greu decât fierul este nevoie de un alt tip de nucleosinteză, nucleosinteza supernovei. Supernovele apar atunci când stelele se prăbușesc catastrofal după ce și-au consumat tot combustibilul nuclear din nuclee. Învelișul atmosferic al stelei se prăbușește în interior din cauza gravitației, sărind de un nucleu format din materie „degenerată de electroni” aproape incompresibilă. În timpul acestei sărituri bruște, câteva procente din materialul stelei sunt topite în elemente mai grele aproape instantaneu. Acest lucru eliberează suficientă energie pentru ca supernova să-și eclipseze galaxia gazdă timp de zile sau săptămâni. Elementele mai grele decât fierul sunt sintetizate în timpul acestui eveniment cosmic incredibil de energetic.