Kemijski element je vrsta atoma, poput vodika ili kisika. Od 2011. godine opaženo je 118 elemenata, od kojih se 98 prirodno pojavljuje na Zemlji. 20 elemenata je umjetno stvoreno u nuklearnim reaktorima ili eksperimentima s akceleratorima čestica. Prvi sintetski element koji je stvoren u znatnim količinama bio je plutonij, element 94. Plutonij je također najteži atom koji se prirodno nalazi na Zemlji. Uz vrijeme poluraspada od samo 80 milijuna godina, plutonij se nalazi u iznimno malim količinama u uranovim rudama.
Današnji kemijski elementi dolaze iz jednog od tri izvora: nukleosinteze supernove, nukleosinteze zvijezda i nukleosinteze Velikog praska. Nukleosinteza se događa kada su atomske jezgre pritisnute jedna uz drugu tako tijesno i na tako velikoj toplini da prevladaju međusobno odbijanje svojih elektronskih ljuski i proizvode teže jezgre. Na taj se način jezgre vodika mogu spojiti u jezgre helija, koje se zauzvrat mogu spojiti u jezgre ugljika, ako se postignu uvjeti dovoljne temperature i tlaka.
U početku je svemir bio toliko vruć i gust da se nije sastojao samo od slobodnih kvarkova – sastojaka protona i neutrona – elektrona i zračenja. Nakon milijuntog dijela sekunde, kvarkovi su se počeli spajati u barione: protone i neutrone. Prvih dvadeset minuta nakon Velikog praska, temperatura svemira premašila je onu u središtu najsjajnijih zvijezda, s gustoćom većom od zraka. Tijekom tog razdoblja, protoni i neutroni su se energetski sudarili i formirali veće jezgre: deuterij i dva izotopa helija. 25 posto sve tvari u svemiru pretvoreno je u helij, s oko 75 posto vodika, zajedno s količinama u tragovima težih elemenata kao što je litij. To je slično današnjem omjeru kemijskih elemenata.
Prve zvijezde nastale su oko 300 milijuna godina nakon Velikog praska, započevši drugi oblik nukleosinteze nazvan zvjezdana nukleosinteza. U zvjezdanoj nukleosintezi, jako zbijena tvar u središtu zvijezde prolazi kroz nuklearnu fuziju, oslobađajući velike količine energije i uravnotežujući sile gravitacije koje djeluju na kolaps zvijezde. Ovo se može smatrati H-bombom koja neprestano eksplodira. Elementi do željeza u periodnom sustavu nastaju u zvjezdanoj nukleosintezi.
Za stvaranje elementa koji je teži od željeza potrebna je druga vrsta nukleositeze, nukleosinteza supernove. Supernove nastaju kada se zvijezde katastrofalno sruše nakon što potroše svo svoje nuklearno gorivo u jezgri. Atmosferski omotač zvijezde kolabira prema unutra zbog gravitacije, odbijajući se od jezgre napravljene od gotovo nestlačive “elektron degenerirane” tvari. Tijekom ovog naglog odbijanja, nekoliko posto materijala zvijezde gotovo se trenutno stopi u teže elemente. Time se oslobađa dovoljno energije da supernova zasjeni svoju galaksiju danima ili tjednima. Elementi teži od željeza sintetiziraju se tijekom ovog nevjerojatno energetskog kozmičkog događaja.