Tổng hợp hạt nhân sao là thuật ngữ chung cho các phản ứng hạt nhân diễn ra trong các ngôi sao để tạo ra hạt nhân của các nguyên tố nặng hơn.
Các quá trình liên quan bắt đầu được hiểu vào đầu thế kỷ XX, khi lần đầu tiên người ta nhận ra rằng năng lượng giải phóng từ các phản ứng hạt nhân chiếm tuổi thọ của Mặt trời như một nguồn nhiệt và ánh sáng.
Sản xuất năng lượng chính trong mặt trời là sự hợp nhất của hydro với heli, xảy ra ở nhiệt độ tối thiểu là 3 triệu kelvin.