Hiilen polttoprosessi on ydinreaktio, joka tapahtuu massiivisten tähtien ytimessä valtavan lämpötilan ja paineen olosuhteissa. Hiilen polttaminen alkaa vasta tähtien elämän lopussa. Jotta tähti voisi lopulta kerätä tarpeeksi painetta ytimeensä hiilipolton käynnistämiseksi, sen on sisällettävä syntyessään vähintään neljä aurinkomassaa. Hiilen polttaminen alkaa vasta sen jälkeen, kun suuret osat tähden vetyä ja heliumia on poltettu.
Universumin runsain alkuaine on vety. Niinpä useimmat tähdet alkavat eliniän, joka koostuu pääasiassa vedystä. Kun ydinfuusio syttyy nuoren tähden sydämessä, vety alkaa hitaasti palaa pois, sen ytimet sulautuvat heliumiksi pp -ketjun kautta – tähtissä, joiden massa on aurinko tai vähemmän – tai CNO -sykli – massiivisemmissa tähdissä . Tämä on ydinreaktio, joka tuottaa auringon lämpöä ja valoa, jonka näemme astuessamme ulos joka päivä.
Tähden koosta riippuen se polttaa ydinpolttoainetta eri nopeudella. Massiivisilla tähdillä on tiheämmät ja kuumemmat keskukset ja ne polttavat polttoainetta nopeammin. Jotkut suurimmista tähdistä kuluttavat suurimman osan vetypolttoaineestaan vain muutaman miljoonan miljoonan vuoden aikana, kun taas Auringon on tarkoitus jatkaa vedyn sulattamista 4.5 miljardin vuoden ajan, ja kevyimmät tähdet sulattavat vetyä biljoonaa vuotta. Kun heliumtuhka kerääntyy, se saavuttaa lopulta kriittisen tiheyden aiheuttaen heliumin syttymisen. Heliumin polttamisen sivutuotteet ovat hiili ja happi.
Kun hiili ja happi kerääntyvät tähden ytimeen miljoonien vuosien heliumpolton aikana, lopulta suuri osa heliumista loppuu ja tähden ydin jäähtyy, eikä pysty tuottamaan lisää ydinvoimaa. Tämä jäähtyminen saa ytimen supistumaan ja lisää entisestään tiheyttä ja painetta. Noin neljän aurinkomassan yläpuolella olevissa tähdissä hiilen polttamiseen tarvittava lämpötila ja tiheys saavutetaan. Tämä lämmittää tähden ytimen ja laajenee punaiseksi superjättiksi.
Hiilen polttaminen on yksi tärkeimmistä syistä, miksi maailmankaikkeudessa on hiiltä raskaampia elementtejä. Pääreaktio koostuu useista komponenteista. Yhdessä kaksi hiiliatomia sulautuu muodostaen neon- ja heliumatomin. Lopulta nämä hajoavat natriumiksi ja vedyksi, sitten magnesiumiksi ja vapaaksi neutroniksi. Koska kaikki ydinprosessit ovat käynnissä samanaikaisesti tähden ytimessä, tuotetaan suuria määriä neonia, happea ja magnesiumia. Koko hiilipoltto kestää vain noin 1000 vuotta.
Jos tähdellä on neljästä kahdeksaan aurinkomassaa materiaalia, se karkottaa sen ulkokerroksen, kun hiili palaa, ja muodostaa planeetan sumuja ja jättää jälkeensä valkoisen kääpiösydämen. Jos sillä on enemmän kuin kahdeksan aurinkomassaa, se lopulta käynnistää neonpolton, seuraavan vaiheen massiivisten tähtien kehityksessä.