Unsur kimia adalah sejenis atom, seperti hidrogen atau oksigen. Pada 2011, 118 elemen telah diamati, dengan 98 di antaranya terjadi secara alami di Bumi. 20 elemen dibuat secara artifisial dalam reaktor nuklir atau eksperimen akselerator partikel. Unsur sintetis pertama yang dibuat dalam jumlah besar adalah plutonium, unsur 94. Plutonium juga merupakan atom terberat yang ditemukan secara alami di Bumi. Dengan waktu paruh hanya 80 juta tahun, plutonium terjadi dalam jumlah yang sangat kecil dalam bijih uranium.
Unsur-unsur kimia masa kini berasal dari salah satu dari tiga sumber: nukleosintesis supernova, nukleosintesis bintang, dan nukleosintesis Big Bang. Nukleosintesis terjadi ketika inti atom ditekan bersama-sama begitu erat dan pada panas yang tinggi sehingga mereka mengatasi tolakan timbal balik dari kulit elektron mereka dan menghasilkan inti yang lebih berat. Dengan cara ini, inti hidrogen dapat menyatu menjadi inti helium, yang pada gilirannya dapat melebur menjadi inti karbon, jika kondisi suhu dan tekanan yang cukup tercapai.
Pada awalnya, alam semesta begitu panas dan padat sehingga hanya terdiri dari quark bebas — penyusun proton dan neutron — elektron, dan radiasi. Setelah sepersejuta detik, quark mulai melebur menjadi baryon: proton dan neutron. Selama dua puluh menit pertama setelah Big Bang, suhu alam semesta melebihi suhu di pusat bintang paling terang, dengan kepadatan lebih besar daripada udara. Selama periode ini, proton dan neutron bertabrakan dengan penuh semangat untuk membentuk inti yang lebih besar: deuterium dan dua isotop helium. 25 persen dari semua materi di alam semesta diubah menjadi helium, dengan sekitar 75 persen hidrogen, bersama dengan sejumlah elemen yang lebih berat seperti litium. Ini mirip dengan rasio unsur kimia saat ini.
Bintang-bintang pertama terbentuk sekitar 300 juta tahun setelah Big Bang, memulai bentuk nukleosintesis lain yang disebut nukleosintesis bintang. Dalam nukleosintesis bintang, materi yang sangat padat di pusat bintang mengalami fusi nuklir, melepaskan sejumlah besar energi dan menyeimbangkan gaya gravitasi yang bekerja untuk meruntuhkan bintang. Ini dapat dianggap sebagai bom-H yang terus meledak. Unsur-unsur hingga besi pada tabel periodik terbentuk dalam nukleosintesis bintang.
Untuk membuat elemen yang lebih berat dari besi membutuhkan jenis nukleosintesis lain, nukleosintesis supernova. Supernova terjadi ketika bintang-bintang runtuh secara serempak setelah menghabiskan semua bahan bakar nuklirnya di intinya. Selubung atmosfer bintang runtuh ke dalam karena gravitasi, memantul dari inti yang terbuat dari materi “degenerasi elektron” yang hampir tidak dapat dimampatkan. Selama pemantulan mendadak ini, beberapa persen materi bintang menyatu menjadi elemen yang lebih berat hampir secara instan. Ini melepaskan energi yang cukup bagi supernova untuk mengungguli galaksi inangnya selama berhari-hari atau berminggu-minggu. Elemen yang lebih berat dari besi disintesis selama peristiwa kosmik yang sangat energik ini.