Zvezdna nukleosinteza je proces, pri katerem nastane večina elementov v periodnem sistemu. Nukleosinteza pomeni sintezo novih elementov iz nukleonov (protonov in nevtronov) lažjih elementov. Rezultat velikega poka na začetku vesolja je bila kozmična sestava približno 80 % plinastega vodika in 20 % helija. Ta proces se imenuje nukleosinteza velikega poka ali občasno tudi primordialna nukleosinteza in je trajal približno tri minute. Druge vrste nukleosinteze vključujejo zvezdno nukleosintezo, ki poteka v zvezdah več milijard let, in nukleosintezo supernove, ki se zgodi v nekaj sekundah.
Plin se je združil v zvezde, ki zlijejo atomska jedra, proizvajajo ogromne količine svetlobe in toplote ter pri tem proizvajajo težje elemente. Pri zvezdah z maso Sonca ali manjšo se energija proizvaja predvsem z verižno reakcijo proton-proton. Verižna reakcija proton-proton poteka pri temperaturah med 10 in 30 megaKelvini in pri tlakih, ki jih najdemo v središču zvezd z maso Sonca ali manj. Med reakcijo se atomi vodika zlijejo v devterij, ki se nato zlijejo v helij-3. Nato atomi sledijo eni od treh možnih poti za proizvodnjo helija in reakcija je končana. Reakcija lahko traja tudi 109 let, kar pojasnjuje, zakaj je naše Sonce še vedno prisotno.
Protonsko-protonska veriga je vrsta izgorevanja vodika, nukleosintetski proces, kjer se zvezdni vodik pretvori v helij. Drug proces izgorevanja vodika, pomemben pri zvezdah, ki so masivnejše od Sonca, je cikel CNO (ogljik-dušik-kisik). Cikel CNO uporablja ogljik, dušik in kisik kot katalizatorje za zvezdo, da spoji štiri protone v helijeva jedra. Ko se ogljik sprva tvori, se pretvori v dušik, nato spet ogljik, nato spet dušik, nato kisik, nato dušik, nato nazaj v ogljik in cikel se nadaljuje.
Sčasoma se večina vodika v zvezdi porabi in helij se začne goreti. To se zgodi bodisi z alfa procesom bodisi s trojnim alfa procesom. Če je zvezda dovolj masivna, bo še naprej združevala težje in težje elemente skozi proces gorenja ogljika, procesa gorenja neona, procesa gorenja kisika in procesa gorenja silicija, dokler ne zgradi železnega jedra, ki tehta 1.44 sončne mase. Potem, ker taljenje železa porabi več energije, kot jo proizvede, zvezda izgubi sposobnost, da vzdrži lastno težo in se zruši, včasih katastrofalno kot supernova, eksplozija, ki lahko traja nekaj dni do mesecev. Ostanek je nevtronska zvezda ali črna luknja.