กระบวนการหลอมที่สำคัญที่สุดในธรรมชาติเป็นสิ่งที่ให้พลังงานกับดวงดาว ในศตวรรษที่ 20 มีการตระหนักว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียสเป็นตัวกำหนดอายุขัยของดวงอาทิตย์และดาวอื่น ๆ โดยเป็นแหล่งที่มาของความร้อนและแสงสว่าง การหลอมของนิวเคลียสทั้งหลายในดาวดวงหนึ่งเริ่มต้นจากความอุดมสมบูรณ์ของไฮโดรเจนและฮีเลียมในช่วงแรก เกิดเป็นพลังงานและการสังเคราะห์นิวเคลียสขึ้นใหม่เป็นผลพลอยได้จากกระบวนการหลอมนั้น ผู้ผลิตพลังงานหลักในดวงอาทิตย์เป็นการหลอมของไฮโดรเจนก่อตัวเป็นก๊าซฮีเลียมซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิแกนกลางของดวงอาทิตย์ที่ 14 ล้านเคลวิน ผลสุทธิคือการหลอมรวมของสี่โปรตอนกลายเป็นหนึ่งอนุภาคแอลฟาพร้อมกับการปลดปล่อยโพสิตรอนสองตัวและนิวตริโนสองตัว (ซึ่งเปลี่ยนสองโปรตอนไปเป็นนิวตรอน) และพลังงาน ห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่แตกต่างกันเข้ามามีส่วนร่วม ขึ้นอยู่กับมวลของดาว สำหรับดาวขนาดดวงอาทิตย์หรือเล็กกว่าห่วงโซ่โปรตอน-โปรตอนจะเป็นปฏิกิริยาหลัก ในดาวที่หนักกว่า วัฏจักร CNO (อังกฤษ: Carbon Nitrogen Oxigen Cycle) มีความสำคัญมากกว่า

เมื่อดาวใช้ขึ้นส่วนที่สำคัญของไฮโดรเจนของมันหมดไปเรื่อย ๆ มันก็เริ่มที่จะสังเคราะห์ธาตุที่หนักกว่าโดยเป็นส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบดารา (อังกฤษ: stellar nucleosynthesis) อย่างไรก็ตามธาตุที่หนักที่สุดจะมีการสังเคราะห์โดยการหลอมที่เกิดขึ้นเมื่อดาวที่มีมวลขนาดใหญ่มากกว่าผ่านการซูเปอร์โนวาที่มีความรุนแรงในตอนท้ายของชีวิตของมัน กระบวนการนี้เรียกว่าการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบซูเปอร์โนวา (อังกฤษ: supernova nucleosynthesis)