Nukleosintesis bintang adalah proses di mana sebagian besar elemen pada Tabel Periodik dibuat. Nukleosintesis berarti sintesis unsur baru dari nukleon (proton dan neutron) unsur yang lebih ringan. Hasil dari Big Bang pada awal alam semesta adalah susunan kosmik sekitar 80% gas hidrogen dan 20% helium. Proses ini disebut nukleosintesis Big Bang, atau kadang-kadang, nukleosintesis primordial, dan memakan waktu sekitar tiga menit. Jenis nukleosintesis lainnya termasuk nukleosintesis bintang, yang terjadi di bintang selama miliaran tahun, dan nukleosintesis supernova, yang terjadi dalam hitungan detik.
Gas tersebut bergabung menjadi bintang, yang menggabungkan inti atom, menghasilkan sejumlah besar cahaya dan panas dan menghasilkan elemen yang lebih berat dalam prosesnya. Di bintang-bintang yang massanya Matahari atau lebih kecil, energi terutama dihasilkan dengan menggunakan reaksi berantai proton-proton. Reaksi berantai proton-proton terjadi pada suhu antara 10 dan 30 megaKelvin dan pada tekanan yang ditemukan di pusat bintang yang massanya Matahari atau lebih kecil. Selama reaksi, atom hidrogen menyatu menjadi deuterium, yang kemudian menyatu menjadi Helium-3. Kemudian atom mengikuti salah satu dari tiga jalur yang mungkin untuk menghasilkan helium, dan reaksi berakhir. Reaksi bisa memakan waktu selama 109 tahun, yang menjelaskan mengapa Matahari kita masih ada.
Rantai proton-proton adalah jenis pembakaran hidrogen, proses nukleosintetik di mana hidrogen bintang diubah menjadi helium. Proses pembakaran hidrogen lainnya, yang penting pada bintang yang lebih masif dari Matahari, adalah siklus CNO (karbon-nitrogen-oksigen). Siklus CNO menggunakan karbon, nitrogen, dan oksigen sebagai katalis bagi bintang untuk menggabungkan empat proton menjadi inti helium. Setelah karbon awalnya terbentuk, ia diubah menjadi nitrogen, lalu karbon lagi, lalu nitrogen lagi, lalu oksigen, lalu nitrogen, lalu kembali ke karbon, dan siklus berlanjut.
Akhirnya sebagian besar hidrogen di bintang dikonsumsi, dan pembakaran helium dimulai. Ini terjadi baik melalui proses alpha atau proses triple alpha. Jika sebuah bintang cukup masif, ia akan terus menggabungkan unsur-unsur yang lebih berat dan lebih berat melalui proses pembakaran karbon, proses pembakaran neon, proses pembakaran oksigen, dan proses pembakaran silikon, hingga membentuk inti besi yang beratnya 1.44 kali massa matahari. Kemudian, karena peleburan besi menghabiskan lebih banyak energi daripada yang dihasilkannya, bintang tersebut kehilangan kemampuannya untuk menopang beratnya sendiri dan runtuh, terkadang secara dahsyat seperti supernova, sebuah ledakan yang dapat memakan waktu berhari-hari hingga berbulan-bulan. Sisanya adalah bintang neutron atau lubang hitam.