Tổng hợp hạt nhân là quá trình tạo ra các hạt nhân nguyên tử mới từ các hạt nhân có từ trước (proton và neutron).
Các hạt nhân có từ nguyên thủy được hình thành từ plasma quark-gluon của Big Bang khi nó nguội đi dưới mười triệu độ.
Quá trình đầu tiên này có thể được gọi là nucleogenesis, genesis của nucleon trong vũ trụ.
Sự tổng hợp hạt nhân tiếp theo của các nguyên tố (bao gồm tất cả carbon, tất cả oxy, v.v.) xảy ra chủ yếu ở các ngôi sao hoặc do phản ứng tổng hợp hạt nhân hoặc phân hạch hạt nhân.