Energi fusi adalah ekstraksi energi dari ikatan antar partikel dalam inti atom dengan menggabungkan inti-inti tersebut. Untuk mendapatkan energi paling banyak, elemen ringan dan isotop seperti hidrogen, deuterium, tritium, dan helium harus digunakan, meskipun setiap elemen dengan nomor atom lebih rendah dari besi dapat menghasilkan energi bersih saat menyatu. Fusi berbeda dengan fisi, proses di mana energi dihasilkan dengan memecah inti berat seperti uranium atau plutonium. Keduanya dianggap sebagai energi nuklir, tetapi fisi lebih mudah dan lebih berkembang. Semua pembangkit listrik tenaga nuklir saat ini beroperasi berdasarkan energi fisi, tetapi banyak ilmuwan berharap pembangkit listrik berbasis energi fusi akan dikembangkan sebelum tahun 2050.
Ada bom nuklir berdasarkan energi fisi dan energi fusi. Bom-A konvensional didasarkan pada fisi, sedangkan bom-H, atau bom hidrogen, didasarkan pada fusi. Fusi lebih efisien mengubah materi menjadi energi, menghasilkan lebih banyak panas dan suhu ketika proses disalurkan ke dalam reaksi berantai. Jadi bom-H memiliki hasil yang lebih tinggi daripada bom-A, dalam beberapa kasus lebih dari 5,000 kali lebih tinggi. Bom-H menggunakan “penguat” fisi untuk mencapai suhu yang diperlukan untuk fusi nuklir, yaitu sekitar 20 juta derajat Kelvin. Dalam bom-H, sekitar 1% dari massa reaksi diubah langsung menjadi energi.
Energi fusi, bukan fisi, adalah energi yang menggerakkan Matahari dan menghasilkan semua panas dan cahayanya. Di pusat Matahari, sekitar 4.26 juta ton hidrogen per detik diubah menjadi energi, menghasilkan 383 yottawatt (3.83×1026 W) atau 9.15×1010 megaton TNT per detik. Kedengarannya seperti banyak, tetapi sebenarnya cukup ringan dengan mempertimbangkan total massa dan volume Matahari. Laju produksi energi di inti Matahari hanya sekitar 0.3 W/m3 (watt per meter kubik), lebih dari satu juta kali lebih lemah daripada produksi energi yang terjadi di filamen bola lampu. Hanya karena intinya sangat besar, dengan diameter yang setara dengan sekitar 20 Bumi, ia menghasilkan begitu banyak energi total.
Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah bekerja untuk memanfaatkan energi fusi untuk kebutuhan manusia, tetapi ini sulit karena suhu dan tekanan tinggi yang terlibat. Menggunakan energi fusi, satu unit bahan bakar seukuran bantalan bola kecil dapat menghasilkan energi sebanyak satu barel bensin. Sayangnya, semua upaya pembangkit listrik fusi pada tahun 2008 telah mengkonsumsi lebih banyak energi daripada yang mereka hasilkan. Ada dua pendekatan dasar — menggunakan medan magnet untuk memampatkan plasma ke suhu kritis (fusi kurungan magnetik), atau menembakkan laser ke target yang sangat kuat sehingga memanaskannya melewati ambang batas kritis untuk fusi (fusi kurungan inersia). Kedua pendekatan ini telah menerima dana yang signifikan, dengan National Ignition Facility (NIF) mencoba fusi kurungan inersia dan mulai online pada 2010, dan Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional (ITER) mencoba fusi kurungan magnetik dan mulai online pada 2018.