Synteza termojądrowa polega na połączeniu dwóch mniejszych jąder w jedno jądro o średniej masie. Deficyt masy, jaki wynika z różnicy między sumaryczną masą składników reakcji syntezy i masą jądra powstałego w wyniku ich połączenia, jest źródłem wyzwolonej w takiej reakcji olbrzymiej energii (E = mc2).
Reakcje syntezy termojądrowej zachodzą w Słońcu, gdzie jądra helu powstają z dwóch jąder wodoru (deuteru):
Reakcja syntezy zajdzie wtedy, gdy dwa jądra zbliżą się do siebie na odległość działania sił jądrowych, dzięki którym połączą się w jedno cięższe jądro o większej energii wiązania przypadającej na jeden nukleon. Aby to się stało, jądra biorące udział w reakcji muszą pokonać siły elektrycznego odpychania, które rosną w miarę zbliżania się jąder do siebie. Do tego potrzebna im jest bardzo duża energia. Taką energię mają jądra wodoru w Słońcu, gdzie panuje ogromna temperatura i wysokie ciśnienie. Słońce w ciągu każdej sekundy zamienia 4 miliardy ton swojej masy w energię wyzwalaną podczas reakcji syntezy helu z jąder wodoru.
W Słońcu i innych gwiazdach reakcje syntezy termojądrowej zachodzą spontanicznie. Aby na Ziemi konstruktywnie wykorzystać energię, jaka wyzwala się w reakcjach syntezy termojądrowej, należy nauczyć się przeprowadzać je w sposób kontrolowany. Podczas reakcji syntezy termojądrowej nie powstaje szkodliwe promieniowanie jądrowe, dlatego ten sposób otrzymywania energii jest bezpieczniejszy dla naszego środowiska niż rozszczepienie jąder uranu wykorzystywane w istniejących na świecie elektrowniach jądrowych.