Nukleosintesis
Nukleosintesis adalah proses penciptaan inti-inti atom baru dari nukleon-nukleon (proton dan neutron) yang sudah ada sebelumnya. Diduga bahwa nukleon-nukleon primordial sendiri terbentuk dari plasma kuark-gluon dari Big Bang (Dentuman Besar) ketika ia mendingin di bawah dua triliun Kelvin. Beberapa menit kemudian, bermula hanya dengan proton dan neutron, terbentuklah inti-inti aton sampai litium dan berilium (kedua-duanya berbilangan massa 7), tetapi hanya berjumlah relatif kecil. Kemudian proses fusi secara esensial berhenti karena suhu dan kerapatan berkurang, karena semesta terus saja mengembang. Proses nukleosintesis primordial pertama ini dapat juga disebut sebagai nukleogenesis.
Fusi nuklir
Proses fusi paling penting di alam adalah yang terjadi di dalam bintang. Meskipun tidak melibatkan reaksi kimia, tetapi seringkali fusi termonuklir di dalam bintang disebut sebagai proses "pembakaran". Pada pembakaran hidrogen, bahan bakar netto-nya adalah empat proton, dengan hasil netto satu partikel alpha, pelepasan dua positron dan dua neutrino (yang mengubah dua proton menjadi dua netron), dan energi. Ada dua jenis pembakaran hidrogen, yaitu rantai proton-proton dan siklus CNO yang keberlangsungannya bergantung pada massa bintang. Untuk bintang-bintang seukuran Matahari atau lebih kecil, reaksi rantai proton-proton mendominasi, sementara untuk bintang bermassa lebih besar siklus CNO yang mendominasi. Reaksi pembakaran lain seperti pembakaran helium dan karbon juga terjadi bergantung terutama pada tahapan evolusi bintang.