Ядреният синтез обединява леки атомни ядра в по-тежки. При достатъчно леки ядра може да се освободи енергия, защото крайното ядро е по-силно свързано на нуклон. Основното препятствие е положително заредените ядра да се доближат достатъчно въпреки електричното си отблъскване.
Две положително заредени ядра се отблъскват. Високата температура на плазмата увеличава типичната кинетична енергия на йоните и броя на близките сблъсъци, но не премахва бариерата. Квантовото тунелиране е съществено: дори когато класическата енергия е по-малка от височината на бариерата, остава вероятност ядрата да достигнат разстояние, при което силното ядрено взаимодействие става доминиращо.
Една от най-изследваните реакции е ²H + ³H → ⁴He + n. Общата маса в покой на продуктите е по-малка от тази на началните ядра и се освобождават около 17,6 MeV. Около 3,5 MeV получава ядрото на хелия, а 14,1 MeV — неутронът. Понеже неутронът няма електричен заряд, магнитното поле не го задържа като заредените частици в плазмата.
Обяснението е в енергията на свързване на нуклон. От водорода към областта на желязото тя като цяло нараства. Сливането на леки ядра може затова да премести системата към по-силно свързано състояние с по-малка обща маса. Не е вярно обаче, че сливането на произволни ядра винаги освобождава енергия.
Фузионната плазма трябва да съдържа достатъчно реагиращи йони и да запазва енергията им достатъчно дълго. Затова критерият на Лоусън свързва плътност, температура и време на енергийно задържане. Изключително висока температура може да съществува заедно с малък фузионен добив, ако плазмата е твърде разредена или губи енергия почти веднага.
Звездите задържат огромни количества плазма чрез гравитацията за много дълго време. В Слънцето водородът се превръща в хелий главно чрез протон-протонната верига. В лабораториите се изследват други горива и начини за задържане на плазмата, включително магнитно задържане и много бързо компресиране.
Температурата увеличава вероятността за енергични сблъсъци, но скоростта на реакцията зависи и от броя на йоните и времето, през което енергията се задържа. Ниската плътност и краткото време на задържане могат да обезсилят предимството на високата температура.