Žvaigždžių nukleosintezė yra procesas, kurio metu sukuriama dauguma periodinės lentelės elementų. Nukleosintezė – naujų elementų sintezė iš lengvesnių elementų nukleonų (protonų ir neutronų). Didžiojo sprogimo rezultatas visatos pradžioje buvo kosminė sandara, kurią sudarė maždaug 80% vandenilio dujų ir 20% helio. Šis procesas vadinamas Didžiojo sprogimo nukleosinteze arba kartais pirmine nukleosinteze ir užtruko apie tris minutes. Kiti nukleosintezės tipai apima žvaigždžių nukleosintezę, kuri žvaigždėse vyksta milijardus metų, ir supernovų nukleosintezę, kuri įvyksta per kelias sekundes.
Dujos susijungė į žvaigždes, kurios susilieja atomų branduolius, gamindamos didžiulį kiekį šviesos ir šilumos bei gamindamos sunkesnius elementus. Saulės ar mažesnės masės žvaigždėse energija pirmiausia gaminama naudojant protonų-protonų grandininę reakciją. Protonų ir protonų grandininė reakcija vyksta esant 10–30 megakelvinų temperatūrai ir slėgiui, esančiame Saulės masės žvaigždžių centre. Reakcijos metu vandenilio atomai susilieja į deuterį, kuris vėliau susilieja su heliu-3. Tada atomai eina vienu iš trijų galimų helio gamybos būdų ir reakcija baigiasi. Reakcija gali trukti net 109 metus, o tai paaiškina, kodėl mūsų Saulė vis dar yra šalia.
Protonų-protonų grandinė yra vandenilio deginimo tipas, nukleosintezės procesas, kurio metu žvaigždžių vandenilis paverčiamas heliu. Kitas vandenilio deginimo procesas, svarbus žvaigždėse, masyvesnėse už Saulę, yra CNO (anglies-azoto-deguonies) ciklas. CNO ciklas naudoja anglį, azotą ir deguonį kaip katalizatorius, kad žvaigždė sujungtų keturis protonus į helio branduolius. Po to, kai iš pradžių susidaro anglis, ji paverčiama azotu, tada vėl anglimi, vėl azotu, tada deguonimi, tada azotu, tada vėl anglimi ir ciklas tęsiasi.
Galiausiai didžioji dalis žvaigždėje esančio vandenilio sunaudojama ir prasideda helio degimas. Tai vyksta alfa proceso arba trigubo alfa proceso metu. Jei žvaigždė yra pakankamai masyvi, ji ir toliau susilies sunkesnius ir sunkesnius elementus per anglies degimo procesą, neono deginimo procesą, deguonies deginimo procesą ir silicio degimo procesą, kol susidarys geležies šerdis, sverianti 1.44 saulės masės. Tada, kadangi lydant geležį sunaudojama daugiau energijos nei pagaminama, žvaigždė praranda gebėjimą išlaikyti savo svorį ir griūva, kartais katastrofiškai kaip supernova – sprogimas, kuris gali užtrukti kelias dienas ar mėnesius. Likutis yra neutroninė žvaigždė arba juodoji skylė.