Nuklearna fuzija spaja laka atomska jezgra u teža. Kod dovoljno lakih jezgara pritom može da se oslobodi energija jer je konačni proizvod jače vezan po nukleonu. Glavna prepreka je približiti pozitivno naelektrisana jezgra uprkos njihovom električnom odbijanju.
Dva pozitivno naelektrisana jezgra električno se odbijaju. Visoka temperatura plazme povećava tipičnu kinetičku energiju jona i broj bliskih sudara, ali ne uklanja barijeru. Kvantno tunelovanje je presudno: čak i kada je klasična energija sudara manja od visine barijere, postoji konačna verovatnoća da se jezgra približe dovoljno da jaka nuklearna sila počne da deluje.
Jedna od najviše proučavanih reakcija je ²H + ³H → ⁴He + n. Proizvodi imaju manju ukupnu masu mirovanja od početnih jezgara i oslobađa se oko 17,6 MeV. Oko 3,5 MeV dobija jezgro helijuma, a 14,1 MeV neutron. Pošto neutron nema električni naboj, magnetno polje ga ne zadržava kao naelektrisane čestice plazme.
Objašnjenje daje energija veze po nukleonu. Od vodonika prema oblasti gvožđa ta veličina uglavnom raste. Fuzija lakih jezgara zato može da dovede sistem u jače vezano stanje sa manjom ukupnom masom. Ipak, nije tačno da spajanje bilo kojih jezgara uvek oslobađa energiju.
Fuziona plazma mora da sadrži dovoljno reagujućih jona i dovoljno dugo zadržava energiju. Zato Lawsonov kriterijum povezuje gustinu, temperaturu i vreme zadržavanja energije. Izuzetno visoka temperatura ne garantuje veliki fuzioni učinak ako je plazma prerazređena ili gotovo odmah gubi energiju.
Zvezde gravitacijom zadržavaju ogromne količine plazme tokom veoma dugog vremena. U Suncu se pretvaranje vodonika u helijum odvija uglavnom proton-protonskim lancem. U laboratorijama se ispituju druga goriva i načini zadržavanja plazme, uključujući magnetna polja i veoma brzu kompresiju.
Temperatura povećava verovatnoću energetskih sudara, ali brzina reakcije zavisi i od broja jona i vremena tokom kojeg energija ostaje zadržana. Mala gustina i kratko vreme zadržavanja mogu da ponište prednost visoke temperature.