核聚變是兩個質量較輕的原子核，融合成為一個質量較重的原子核，並放出能量的過程。

以氘和氚的核聚變為例。氘（\(\!^2\textrm{H}\)）和氚（\(\!^3\textrm{H}\)）均是氫的同位素，氘具有一個中子，氚具有二個中子。核聚變中，兩者融合成一個氦原子核（\(\!^4\textrm{He}\)），並放出一個中子。此過程可以表達為 \[\,^{2}_{1} \textrm{H} + \,^{3}_{1} \textrm{H} \rightarrow \,^{4}_{2} \textrm{He} + \,^{1}_{0} \textrm{n}\]

由於原子核均帶正電荷，兩者融合需要克服電力的排斥，所以核聚變要求原子核以極高的速度對撞。在我們日常的溫度下，粒子的運動速度較慢，對撞的原子核會被電力彈開，遠遠不足以發生核聚變。

太陽是主要由氫組成。在太陽的核心，溫度極高且壓力極大，使氫發生核聚變，融合成氦。太陽的能量正是由核聚變產生的。

氫彈是基於核聚變製作的核武器。氫彈的爆炸需先引爆原子彈，利用核裂變的產生高溫和高壓，引發氘和氚的核聚變，而核聚變產生的中子又可進一步引發核裂變，最終產生極大的能量。

人工核聚變是將原子核約束在一定的空間裡，並給予它們能量，增加其速度，使它們高速對撞，發生核聚變。目前人們已能引發小規模的核聚變，但其輸入的能量大於輸出、或是持續時間短暫，尚未能作為持續穩定的能量源。

火力發電會產生二氧化碳，核裂變發電的燃料和產物均有放射性。若核聚變發電得以實現，其燃料是氫氣，產物為氦氣，是理想的清潔能源。