Fuziunea nucleară unește nuclee ușoare pentru a forma nuclee mai grele. Pentru nuclee suficient de ușoare, procesul poate elibera energie deoarece produsul final este mai puternic legat pe nucleon. Principala dificultate este apropierea nucleelor încărcate pozitiv în ciuda respingerii lor electrice.
Două nuclee pozitive se resping electric. O temperatură mare a plasmei crește energia cinetică tipică a ionilor și numărul ciocnirilor apropiate, dar nu elimină bariera. Tunelarea cuantică este esențială: chiar dacă energia clasică a coliziunii este sub înălțimea barierei, există o probabilitate nenulă ca nucleele să ajungă suficient de aproape pentru ca interacțiunea nucleară tare să domine.
O reacție intens studiată este ²H + ³H → ⁴He + n. Produsele au o masă de repaus totală mai mică decât nucleele inițiale și se eliberează aproximativ 17,6 MeV. Aproximativ 3,5 MeV revin nucleului de heliu, iar 14,1 MeV neutronului. Neutronul nu are sarcină electrică, așa că nu este confinat magnetic precum particulele încărcate din plasmă.
Explicația se află în energia de legătură pe nucleon. De la hidrogen spre regiunea fierului, această mărime crește în general. Fuziunea nucleelor ușoare poate astfel muta sistemul spre o stare mai puternic legată și cu masă totală mai mică. Nu este însă adevărat că unirea oricăror nuclee eliberează întotdeauna energie.
O plasmă de fuziune trebuie să conțină suficienți ioni reactivi și să își păstreze energia suficient timp. De aceea criteriul Lawson leagă densitatea, temperatura și timpul de confinare a energiei. O temperatură extremă poate coexista cu un randament mic de fuziune dacă plasma este prea rară sau își pierde energia aproape imediat.
Stelele rețin cantități enorme de plasmă prin gravitație pentru intervale foarte lungi. În Soare, transformarea hidrogenului în heliu are loc în principal prin lanțul proton–proton. În laborator sunt studiate alte combinații de combustibil și metode de confinare, inclusiv câmpuri magnetice și comprimare foarte rapidă.
Temperatura crește probabilitatea coliziunilor energetice, dar rata reacției depinde și de numărul de ioni și de timpul în care energia rămâne confinată. Densitatea mică și confinarea scurtă pot anula avantajul temperaturii ridicate.