Reakcja jądrowa, w której w procesie połączenia dwóch lekkich jąder atomowych powstaje nowe, cięższe jądro. Reakcji syntezy towarzyszy wydzielenie kilku-kilkunastokrotnie większej energii niż reakcji rozszczepienia (co wynika z różnej energii wiązania różnych jąder). Reakcja fuzji zachodzi naturalnie we wnętrzach gwiazd, które stabilnie świecą dopóki nie wyczerpie się zapas najlżejszych jąder (wodór, deuter, tryt), po czym zapadają się i - zależnie od swej masy - gasną albo wybuchają jako nowe lub supernowe (po których pozostają gwiazdy neutronowe). Wybuch nowej/supernowej jest możliwy jeśli masa gwiazdy jest na tyle dużą, że podczas grawitacyjnego zapadania się zostanie wyzwolona ilość energii wystarczająca do zainicjowania reakcji syntezy jąder cięższych niż już "wypalone" jądra najlżejsze.