在1920年， 亚瑟·爱丁顿 在F.W.阿斯顿对原子质量的精确 测量基础上，和让·巴蒂斯特·佩兰（Jean Perrin）初步的建议下，提出恒星从氢聚变形成 氦 的 核聚变 反应获得能量，并提出更重的元素在恒星内产生的可能性。这是迈向 核合成 思想的初步步骤。在1928年， 乔治·伽莫夫 推导出现在所谓的 伽莫夫因子 ，给出了两个原子核足够接近时的强作用力可以克服库伦障壁的 量子力学 公式。伽莫夫因子在随后的十年被使用在 罗伯特·阿特金森 和弗里茨·豪特曼斯，以及伽莫夫自己和和 爱德华·泰勒 推导出高温下的核反应进行过程和速率，并且确信恒星内部存在着高温。

在1939年，在标题为 恒星的能量生产（Energy Production in Stars） 的论文中， 汉斯·贝特 分析了氢聚变成氦可能的不同反应。他定义了两种他认为恒星能量来源的过程。第一种是 质子-质子链反应 ，是质量像 太阳 这样的恒星产生能源的主要过程；第二种是 碳氮氧循环 ，也被认为是卡尔·冯·魏茨泽克在1938年曾提出的，是质量更大恒星的主序星的主要能量来源。质子-质子链反应和碳氮氧循环的明确说明在1968年出现在教科书上。然而，贝特的两篇论文并没有讨论重元素的产生。这些理论在1946年由 弗雷德·霍伊尔 开始，他的论点是一个非常热的原子核集团可以依据热力学组合出 铁 。霍伊尔随后在1954年以长篇大论描述如何以进一步的核聚变阶段在大质量恒星中合成从碳至铁的元素。这是恒星核核成的第一项工作。它和霍伊尔在1954年的论文提供了一个路径图，说明地球上最丰富的元素是如何从最初的氢和氦在恒星中合成，从而清楚的说明这些元素是如何随着星系的年龄老化而增加在星系中的丰度。

霍伊尔的理论被扩展到其他的过程，最初是在霍伊尔和伯比奇夫妇（ 杰佛瑞·伯比奇 和 玛格丽特·伯比奇 ）、 威廉·福勒 四人于1957年提出了著名的元素合成理论（通常称为BFH论文）。这份回顾的论文收集和精炼了早先研究和引证到的一张图片，这给出了对观察到的元素丰度和分布数量；但它除了经由中子捕获过程形成比铁更重元素有更多的理解之外，本身并没有扩充霍伊尔在1954的图片中对太初原子核的起源所做的诸多假设。之后，艾利丝泰尔·卡麦伦和唐纳德·卡莱顿获得了显著的改善。卡麦伦（Cameron）也提出了自己独立的核合成方法（大部分仍遵循霍伊尔的方法）。他将电脑引进到与时间相关的核系统演化计算中。卡莱顿计算出第一个与时间相关的 S-过程 和 R-过程 模型，硅燃烧进入3α粒子和铁族元素的丰度，以及发现放射性年表，用于确定元素的年龄。整个研究的领域在20世纪的70年代迅速的扩展。

恒星核合成 氢聚变

主条目： 质子-质子链反应 、 碳氮氧循环 和 氘燃烧

氢燃烧 （4个质子融合成一颗 氦-4 核）是在 主序星 的核心中产生能量的主导过程。它也称为"氢燃烧"，但不要与在 大气层 中 氧化 的 化学 氢燃烧 混淆。恒星的氢聚变有两个主要的过程：质子-质子链和碳氮氧循环。90%的恒星，除了 白矮星 ，都是通过这两个过程融合氢。

像是 太阳 这样的低质量的主序星，主导能量生产过程的是 质子-质子链反应 。通过一系列的连锁反应，创造出氦-4的核。开始是两个质子融合，形成 氘 原子核（一个质子加上一个中子）连同一个弹出的正电子和中微子。在每一个完整的融合周期，质子-质子链反应约释放出26.2百万电子伏特。质子-质子链反应对温度相对的不敏感；温度上升10%只会增加46%的能量产量。因此，这种氢聚变过程可以发生在恒星半径的三分之一，约占恒星质量一半之处。对于质量超过太阳35%的，能量通量朝向表面是非常的低，而且能量从核心区域向外转移是经由辐射传导而不是 对流传热 。因此，没有新鲜的氢混合到核心或是融合产品向外。

在质量更高的恒星，主导能量产生的过程是 碳氮氧循环 ，它是一个催化循环，使用碳、氮、和氧的原子核作为媒介，最终产生氦核和质子-质子。在一个完整的碳氮氧循环，25百万电子伏特的能量被释放出来。相较于质子-质子链反应，这个循环的能量差异是 中微子 的发射所失去的。碳氮氧循环对温度相当敏感，10%的温度升高，产生的能量就会增长350%。大约90%的碳氮氧循环能量产生在恒星15%的质量，因此它是高度集中在核心。这就产生强大向外的能量通量， 对流 的能量传递变得比 辐射转移 更为重要。这样的结果，使核心区域成为 对流区 ，它搅动了氢聚变区，使其与周围的质子丰富区域保持良好的混合。这种发生在碳氮氧循环核心的对流贡献了超过恒星20%的总能量。随着恒星的老化和核心温度的升高，对流区域慢慢地从质量20%下降到内部的8%。我们的太阳大约有10%的能量是由碳氮氧循环产生。