Bei der Kernfusion verschmelzen (fusionieren) zwei Atomkerne zu einem schwereren Kern. Je nachdem, welche Ausgangskerne beteiligt sind und welches Element daraus entsteht, wird bei diesem Prozess Energie freigesetzt oder aufgewendet. Zumeist ist die Energiebilanz positiv, wenn das Fusionsprodukt nicht schwerer ist als Eisen und negativ bei noch schwereren Kernen. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Verteilung des Massendefekts über das Periodensystem. In der Regel wird bei einer Kernverschmelzung neben dem Reaktionsprodukt ein leichtes Teilchen wie ein Neutron, ein Proton, ein Alpha-Teilchen oder ein Gamma-Teilchen erzeugt. Dieses ist wegen Energie- und Impulserhaltung erforderlich, da der neu erzeugte Kern nur fest definierte Energieniveaus annehmen kann, während die kinetische Energie, die die beiden Ausgangskerne vor der Verschmelzung haben, variabel ist.

Besonders viel Energie wird frei, wenn schwerer und überschwerer Wasserstoff (Deuterium und Tritium) miteinander verschmelzen. Hier beträgt der Massendefekt fast 4 Promille, das heißt, die Reaktionsprodukte Helium und ein Neutron haben entsprechend weniger Masse als die Ausgangsprodukte. Die fehlende Masse wird aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie aus Einsteins Gleichung E=mc² als kinetische Energie auf die Reaktionsprodukte übertragen. Da c² eine sehr große Zahl ist, setzt schon die Fusion kleiner Mengen von Deuterium und Tritium gewaltige Energiemengen frei.

Die Kernfusion von Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium ist die Energiequelle der Sterne, etwa unserer Sonne.

Auf der Erde wird die Kernfusion vor allem in drei Anwendungsbereichen genutzt: