Zvjezdana nukleosinteza je proces u kojem se stvara većina elemenata u periodnom sustavu. Nukleosinteza znači sintezu novih elemenata iz nukleona (protona i neutrona) lakših elemenata. Ishod Velikog praska na početku svemira bio je kozmički sastav od otprilike 80% plinovitog vodika i 20% helija. Taj se proces naziva nukleosinteza Velikog praska ili povremeno primordijalna nukleosinteza, a trajao je oko tri minute. Druge vrste nukleosinteze uključuju zvjezdanu nukleosintezu, koja se odvija u zvijezdama tijekom milijardi godina, i nukleosintezu supernove, koja se događa u nekoliko sekundi.
Plin se spojio u zvijezde, koje spajaju atomske jezgre, proizvodeći ogromne količine svjetlosti i topline te pritom stvarajući teže elemente. U zvijezdama mase Sunca ili manje, energija se prvenstveno proizvodi pomoću proton-proton lančane reakcije. Lančana reakcija proton-proton odvija se na temperaturama između 10 i 30 megaKelvina i pri pritiscima koji se nalaze u središtu zvijezda mase Sunca ili manje. Tijekom reakcije atomi vodika se spajaju u deuterij, koji se zatim spajaju u helij-3. Tada atomi slijede jedan od tri moguća puta za proizvodnju helija i reakcija je gotova. Reakcija može potrajati čak 109 godina, što objašnjava zašto je naše Sunce još uvijek u blizini.
Proton-protonski lanac je vrsta izgaranja vodika, nukleosintetski proces u kojem se zvjezdani vodik pretvara u helij. Drugi proces izgaranja vodika, važan za zvijezde masivnije od Sunca, je ciklus CNO (ugljik-dušik-kisik). CNO ciklus koristi ugljik, dušik i kisik kao katalizatore da zvijezda spoji četiri protona u jezgre helija. Nakon što se ugljik u početku formira, pretvara se u dušik, zatim ponovno ugljik, zatim ponovno dušik, zatim kisik, zatim dušik, zatim natrag u ugljik i ciklus se nastavlja.
Na kraju se potroši većina vodika u zvijezdi i počinje izgaranje helija. To se događa bilo kroz alfa proces ili trostruki alfa proces. Ako je zvijezda dovoljno masivna, nastavit će spajati sve teže i teže elemente kroz proces izgaranja ugljika, proces izgaranja neona, proces izgaranja kisika i proces izgaranja silicija, sve dok ne izgradi jezgru od željeza koja teži 1.44 solarne mase. Zatim, budući da spajanje željeza troši više energije nego što proizvodi, zvijezda gubi sposobnost da izdrži vlastitu težinu i kolabira, ponekad katastrofalno kao supernova, eksplozija koja može potrajati danima do mjesecima. Ostatak je neutronska zvijezda ili crna rupa.