การสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ (อังกฤษ: stellar nucleosynthesis) คือคำที่ใช้ในความหมายถึงปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นภายในดาวฤกษ์ ทำให้เกิดนิวเคลียสธาตุต่างๆ ที่หนักกว่าไฮโดรเจน ปฏิกิริยาในทำนองเดียวกันแต่มีขนาดเล็กกว่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ที่พื้นผิวดาวฤกษ์เช่นกัน ภายใต้สภาวะอันหลากหลาย สำหรับการเกิดธาตุจากเหตุการณ์ระเบิดของดาวฤกษ์ จะใช้คำเรียกว่า การสังเคราะห์นิวเคลียสของซูเปอร์โนวากระบวนการวิวัฒนาการนี้เริ่มเป็นที่เข้าใจกันในราวช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ซึ่งในตอนแรกนั้นคิดกันว่าความร้อนและแสงสว่างจากดวงอาทิตย์เป็นพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ตัวกำเนิดพลังงานหลักในดวงอาทิตย์ คือการเกิดฟิวชันของไฮโดรเจนทำให้กลายไปเป็นฮีเลียม ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิอย่างน้อยที่สุด 3 ล้านเคลวิน