Una reacció de fusió nuclear és la combinació de dos àtoms d’un element per a crear-ne un altre més pesant. Aquesta reacció, com la que es dóna el Sol, produeix una gran quantitat d’energia i no utilitza elements radioactius, sinó que fa servir materials que són molt abundants a la Terra, com ara l’hidrogen. Es tracta, doncs, d’una font d’energia que no s’esgota ni contamina. Però la tecnologia de les reaccions de fusió nuclear no està encara prou desenvolupada per a permetre’n l’explotació industrial. Fins ara només s’ha fet servir per a fabricar bombes d’hidrogen, en els quals la reacció té lloc d’una manera incontrolada i produeix una gran destrucció.

La fusió de dos àtoms de menor massa que el ferro (un dels àtoms ,coneguts, amb més quantitat d’energia) allibera energia en general, mentre que la fusió de nuclis més pesats que el ferro absorbeix energia, i viceversa per el procés invers, la fissió nuclear. En el cas més simple de fusió de l’hidrogen, dos protons s’han d’acostar prou perquè la interacció nuclear forta pugui superar la seva repulsió elèctrica mútua i obtenir la posterior, l’alliberament d’energia.
La fusió nuclear és produeix de forma natural a les estrelles. La fusió artificial també s’ha aconseguit en diverses empreses, tot i que encara no està totalment controlada. Sobre la base dels experiments de transmutació nuclear d’Ernest Rutherford conduïts uns pocs anys abans, la fusió de nuclis lleugers (isòtops d’hidrogen) va ser observada per primera vegada per Mark Oliphant en 1932, els passos del cicle principal de la fusió nuclear a les estrelles posteriorment van ser elaborats per Hans Bethe durant la resta d’aquesta dècada. La investigació sobre la fusió per a fins militars es va iniciar en la dècada de 1940 com a part del Projecte Manhattan (a continuació), però  no va tenir èxit fins a 1952. La investigació sobre la fusió controlada amb fins civils es va iniciar en la dècada de 1950, i continua fins avui dia.