Tähtien nukleosynteesi on prosessi, jossa suurin osa jaksollisen järjestelmän elementeistä luodaan. Nukleosynteesi tarkoittaa uusien alkuaineiden synteesiä kevyempien elementtien nukleoneista (protoneista ja neutroneista). Alkuräjähdyksen tulos maailmankaikkeuden alussa oli kosminen meikki, joka sisälsi noin 80% vetykaasua ja 20% heliumia. Tätä prosessia kutsutaan alkuräjähdyksen nukleosynteesiksi tai toisinaan alkukantaiseksi nukleosynteesiksi, ja se kesti noin kolme minuuttia. Muita nukleosynteesityyppejä ovat tähtien nukleosynteesi, joka tapahtuu tähdissä miljardien vuosien aikana, ja supernovan nukleosynteesi, joka tapahtuu muutamassa sekunnissa.
Kaasu sulautui tähdiksi, jotka sulautuvat ytimiin, tuottavat valtavia määriä valoa ja lämpöä ja tuottavat raskaampia elementtejä. Auringon massaan tai pienempiin tähtiin energia tuotetaan ensisijaisesti käyttämällä protoni-protoni-ketjureaktiota. Protoni-protoni-ketjureaktio tapahtuu lämpötiloissa, jotka ovat 10–30 megakelvinin lämpötilassa ja tähtien keskipisteessä olevissa paineissa auringon massa tai pienempi. Reaktion aikana vetyatomeja sulatetaan deuteriumiksi, joka sitten sulatetaan helium-3: ksi. Sitten atomit seuraavat yhtä kolmesta mahdollisesta polusta tuottaakseen heliumia, ja reaktio on ohi. Reaktio voi kestää jopa 109 vuotta, mikä selittää, miksi aurinkomme on edelleen lähellä.
Protoni-protoniketju on eräänlainen vedyn polttaminen, nukleosynteettinen prosessi, jossa tähtivety muuttuu heliumiksi. Toinen vedyn polttoprosessi, joka on tärkeä Aurinkoa massiivisemmilla tähdillä, on CNO (hiili-typpi-happi) -kierto. CNO -sykli käyttää hiiltä, typpeä ja happea katalyytteinä tähdelle, joka sulauttaa neljä protonia heliumytimiin. Kun hiili on alun perin muodostunut, se muuttuu typpeksi, sitten hiileksi, sitten taas typpeksi, sitten hapeksi, sitten typpeksi, sitten takaisin hiileksi ja sykli jatkuu.
Lopulta suurin osa tähden vedystä kuluu ja heliumin polttaminen alkaa. Tämä tapahtuu joko alfa- tai kolminkertaisen alfa -prosessin kautta. Jos tähti on riittävän massiivinen, se sulautuu yhä raskaampia ja raskaampia elementtejä yhteen hiilipoltto-, neon-, happipoltto- ja piipolttoprosessin kautta, kunnes se muodostaa rautasydämen, joka painaa 1.44 auringon massaa. Sitten, koska raudan sulattaminen kuluttaa enemmän energiaa kuin se tuottaa, tähti menettää kykynsä tukea omaa painoaan ja romahtaa, joskus katastrofaalisesti supernovana, räjähdys, joka voi kestää päivistä kuukausiin. Jäännös on neutronitähti tai musta aukko.