La nucleosíntesis estelar es el conjunto de procesos por los que las estrellas fabrican casi todos los elementos químicos más allá del helio. En su interior, las temperaturas y densidades extremas permiten reacciones nucleares que de otro modo serían imposibles: la fusión del hidrógeno en helio (cadena pp y ciclo CNO), del helio en carbono y oxígeno (proceso triple alfa), y, en estrellas masivas, hasta la formación del hierro en sucesivas capas concéntricas tipo cebolla.
Más allá del hierro, los elementos se producen por captura de neutrones: el proceso s (lento, en gigantes asintóticas) genera núcleos como bario o estroncio, y el proceso r (rápido, en supernovas y fusiones de estrellas de neutrones) produce los más pesados, oro, platino y uranio. La detección de líneas de elementos pesados en la kilonova GW170817 confirmó por primera vez la fusión binaria como una fuente del proceso r.