Proceso por el que unos elementos químicos se transforman en otros más pesados mediante reacciones nucleares de fusión. El elemento originario y más sencillo es el hidrógeno, cuyo núcleo atómico consta de un solo protón. Los núcleos de todos los elementos químicos hasta el átomo de hierro, se han generado a partir de la fusión de núcleos más simples. Los núcleos más pesados que el hierro se crean por otro tipo de reacciones, que tienen lugar fundamentalmente en estrellas masivas.
La nucleosíntesis es el origen de la radiación recibida de las estrellas, debido a que la masa de los productos de la fusión es menor que la masa de los núcleos fusionados, transformándose esa diferencia – defecto de masa – en energía.