การสังเคราะห์นิวเคลียส (อังกฤษ: Nucleosynthesis) คือกระบวนการในการสร้างนิวเคลียสของอะตอมใหม่ขึ้นจากนิวคลีออนเดิมที่มีอยู่ก่อนแล้ว (โปรตอนและนิวตรอน) เชื่อว่านิวคลีออนดั้งเดิมเองนั้นกำเนิดขึ้นจากการรวมตัวของควาร์ก-กลูออนพลาสมาในเหตุการณ์บิกแบงขณะที่มันมีอุณหภูมิเย็นลง 2 ล้านล้านองศา ไม่กี่นาทีหลังจากนั้น จากเพียงโปรตอนและนิวตรอนจึงได้เกิดเป็นนิวเคลียสของลิเทียมและเบอริลเลียม (ที่เลขมวล 7) แต่ก็มีเพียงจำนวนน้อยมาก จากนั้นกระบวนการฟิวชั่นจึงหยุดลงเมื่ออุณหภูมิและความหนาแน่นลดต่ำลงอย่างรวดเร็วจากการที่เอกภพขยายตัวออก กระบวนการแรกสุดของการสังเคราะห์นิวเคลียสดั้งเดิมนี้อาจเรียกชื่อว่า นิวคลีโอเจเนซิส ก็ได้สำหรับการเกิดการสังเคราะห์นิวเคลียสในลำดับถัดมาของอะตอมธาตุหนัก เกิดขึ้นได้หลังจากการระเบิดของดาวฤกษ์มวลมากและซูเปอร์โนวาในช่วงเวลาเดียวกัน ตามหลักการของทฤษฎีนี้ ไฮโดรเจนและฮีเลียมจากบิกแบง (รวมถึงอิทธิพลจากความหนาแน่นของสสารมืด) ควบรวมกันกลายเป็นดาวฤกษ์ยุคแรกในราว 500 ล้านปีหลังจากบิกแบง ธาตุที่เกิดในช่วงการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์มีเลขอะตอมตั้งแต่ 6 (คาร์บอน) ไปจนถึงอย่างน้อย 98 (แคลิฟอร์เนียม) ซึ่งสามารถตรวจจับได้ในเส้นสเปกตรัมของซูเปอร์โนวา การเกิดซินทีสิสของธาตุหนักเหล่านี้เกิดได้ทั้งจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น หรือจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น และบางครั้งก็มีการสลายปลดปล่อยอนุภาคเบตาเกิดขึ้นด้วย