Processo nucleare che si ottiene quando, vincendo le forze di repulsione elettrica fra cariche dello stesso segno, due nuclei di elementi leggeri (ad esempio, gli isotopi dell’idrogeno deuterio e trizio) vengono fatti avvicinare sufficientemente da formare il nucleo di un elemento più pesante, più stabile. Affinché i nuclei siano sottoposti ad un agitazione termica che renda probabile il loro urto, è necessario che la materia raggiunga temperature dell’ordine di milioni di gradi. Fino ad oggi condizioni del genere non sono ancora stati raggiunte nei laboratori, ma solo nelle bombe all’idrogeno il cui nucleo è costituito da una bomba atomica che fornisce il riscaldamento necessario.

La reazione riesce a realizzarsi perché, a distanze estremamente ravvicinate, diventa importante l’intensità della forza di attrazione nucleare (forza forte), che provoca la fusione dei nuclei: conseguentemente, si ottiene un rilascio di energia, corrispondente alla differenza fra i valori delle masse prima e dopo la reazione. Tale energia solitamente è dell’ordine di alcuni MeV (milioni di elettronvolt). Se il bilancio energetico fra l’energia ottenuta nella reazione e quella spesa per avvicinare i nuclei è positivo, la fusione diventa un metodo estremamente conveniente, non pericoloso e non inquinante di produrre energia elettrica. La fusione nucleare dei nuclei di  idrogeno all’interno della materia stellare, ad esempio, è il processo che produce l’energia irradiata dalle stelle e dal Sole. Una reazione tipica di fusione è quella in cui un nucleo di deuterio e uno di trizio si fondono per formare un nucleo di elio, rilasciando 17,6 MeV di energia.

La prima fusione nucleare artificiale fu realizzata all'inizio degli anni Trenta, mediante il bombardamento di un bersaglio di deuterio, con nuclei di deuterio ad alta energia accelerati da un ciclotrone; tuttavia il bilancio energetico della reazione fu negativo, poiché doveva venire impiegata molta energia per accelerare i nuclei. Un considerevole rilascio netto di energia per fusione fu ottenuto per la prima volta negli anni Cinquanta, nell'ambito delle sperimentazioni sulle armi nucleari da parte di Stati Uniti, Gran Bretagna, Unione Sovietica e Francia. In questo caso il bilancio energetico fu positivo, ma il rilascio fu breve e incontrollato, e pertanto non utilizzabile per la produzione di energia elettrica.

Il principale ostacolo alla realizzazione in laboratorio della fusione nucleare è l’avvicinamento dei nuclei fino a distanze subatomiche.  Attualmente, si distinguono due modi per ottenere tale meccanismo, un  metodo dinamico e un metodo statico.