Η αστρική πυρηνοσύνθεση είναι η διαδικασία κατά την οποία δημιουργούνται τα περισσότερα από τα στοιχεία στον Περιοδικό Πίνακα. Πυρηνοσύνθεση σημαίνει τη σύνθεση νέων στοιχείων από τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) ελαφρύτερων στοιχείων. Το αποτέλεσμα της Μεγάλης Έκρηξης στην αρχή του σύμπαντος ήταν μια κοσμική σύνθεση από περίπου 80% αέριο υδρογόνο και 20% ήλιο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται πυρηνοσύνθεση του Big Bang, ή περιστασιακά, η αρχέγονη πυρηνοσύνθεση, και διήρκεσε περίπου τρία λεπτά. Άλλοι τύποι πυρηνοσύνθεσης περιλαμβάνουν αστρική πυρηνοσύνθεση, η οποία λαμβάνει χώρα σε αστέρια για δισεκατομμύρια χρόνια, και πυρηνοσύνθεση σουπερνόβα, η οποία συμβαίνει σε λίγα δευτερόλεπτα.
Το αέριο συνενώθηκε σε αστέρια, τα οποία συντήκουν ατομικούς πυρήνες, παράγοντας τεράστιες ποσότητες φωτός και θερμότητας και παράγοντας βαρύτερα στοιχεία στη διαδικασία. Σε αστέρια περίπου με τη μάζα του Ήλιου ή μικρότερα, η ενέργεια παράγεται κυρίως χρησιμοποιώντας την αλυσιδωτή αντίδραση πρωτονίου-πρωτονίου. Η αλυσιδωτή αντίδραση πρωτονίου-πρωτονίου λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες μεταξύ 10 και 30 megaKelvins και σε πιέσεις που βρίσκονται στο κέντρο των άστρων της μάζας του Ήλιου ή μικρότερη. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, τα άτομα υδρογόνου συντήκονται σε δευτέριο, τα οποία στη συνέχεια συντήκονται σε Ήλιο-3. Στη συνέχεια, τα άτομα ακολουθούν μία από τις τρεις πιθανές διαδρομές για την παραγωγή ηλίου, και η αντίδραση τελειώνει. Η αντίδραση μπορεί να διαρκέσει έως και 109 χρόνια, γεγονός που εξηγεί γιατί ο Ήλιος μας είναι ακόμα τριγύρω.
Η αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου είναι ένας τύπος καύσης υδρογόνου, η νουκλεοσυνθετική διαδικασία όπου το αστρικό υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο. Μια άλλη διαδικασία καύσης υδρογόνου, σημαντική σε αστέρια με μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο, είναι ο κύκλος CNO (άνθρακας-άζωτο-οξυγόνο). Ο κύκλος CNO χρησιμοποιεί άνθρακα, άζωτο και οξυγόνο ως καταλύτες ώστε το αστέρι να συντήξει τέσσερα πρωτόνια σε πυρήνες ηλίου. Αφού σχηματιστεί αρχικά ο άνθρακας, μετατρέπεται σε άζωτο, μετά σε άνθρακα ξανά, μετά ξανά άζωτο, μετά οξυγόνο, μετά άζωτο, μετά πίσω σε άνθρακα και ο κύκλος συνεχίζεται.
Τελικά το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου στο αστέρι καταναλώνεται και αρχίζει η καύση ηλίου. Αυτό συμβαίνει είτε μέσω της διαδικασίας άλφα είτε μέσω της διαδικασίας τριπλού άλφα. Εάν ένα αστέρι είναι αρκετά μεγάλο, θα συνεχίσει να συγχωνεύει βαρύτερα και βαρύτερα στοιχεία μέσω της διαδικασίας καύσης άνθρακα, διαδικασίας καύσης νέον, διαδικασίας καύσης οξυγόνου και καύσης πυριτίου, μέχρι να δημιουργήσει έναν πυρήνα σιδήρου που ζυγίζει 1.44 ηλιακές μάζες. Στη συνέχεια, επειδή η σύντηξη σιδήρου καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από ό,τι παράγει, το αστέρι χάνει την ικανότητά του να υποστηρίζει το δικό του βάρος και καταρρέει, μερικές φορές καταστροφικά ως σουπερνόβα, μια έκρηξη που μπορεί να διαρκέσει μέρες έως μήνες. Το απομεινάρι είναι ένα αστέρι νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα.