Reakcje syntezy termojądrowej są odpowiedzialne za wytwarzanie energii przez gwiazdy. Procesy te zachodzą we wnętrzu (jądrach) gwiazd, gdzie temperatura i ciśnienie są na tyle duże, że możliwa jest synteza jąder pierwiastków lekkich. W zależności od rodzaju gwiazdy może mieć miejsce jeden z dwóch cykli przemian termojądrowych. Są to cykle: protonowo-protonowy oraz węglowo-azotowy.
Pierwszy z wymienionych cykli zachodzi w gwiazdach małej i średniej wielkości, takich jak np. Słońce. Cykl ten składa się z trzech etapów, których przebieg można przedstawić następująco:
W wyniku syntezy dwóch jąder wodoru (protonów) powstaje deuter, pozyton oraz neutrino. Nowopowstałe jądro łączy się następnie z kolejnym protonem, co prowadzi do powstania jądra izotopu helu 3 oraz fotonu. W trzecim etapie dwa jądra helu 3 łączą się ze sobą, dając trwałe i nie podlegające dalszym przemianom jądro izotopu helu oraz dwa protony, które mogą brać udział w kolejnych reakcjach. Całkowita energia uzyskana podczas jednego cyklu protonowo-protonowego wynosi 26,7MeV i jest ona unoszona przez pozytony, neutrina oraz fotony.
Drugi cykl przemian termojądrowych zachodzi w gwiazdach o wysokich temperaturach i posiadających w swej budowie domieszki węgla. Proces ten składa się z sześciu etapów, które można zapisać w postaci:
Jak wynika z przedstawionych równań reakcji, końcowym produktem obydwu cykli jest stabilne jądro helu. W obydwu omówionych procesach uwalniana jest taka sama ilość energii, jednak w przypadku cyklu węglowo-azotowego jest ona unoszona przez większą liczbę cząstek.