一直到20世纪30年代末期，人们才确定了太阳和恒星的主要能源是在它们内部进行着的热核反应。目前的太阳，其内心进行着的热核反应是由4个氢核在温度高达1000多万摄氏度的条件下聚变成一个氦核。1克氢转化为氦时释放出的能量大到6×1011焦，相当于15吨煤燃烧时释放出的热量。氢是恒星上最丰富的化学元素，对于刚形成的太阳，氢约占质量的78％，所以用氢作燃料。对于太阳，可以在约100亿年的时间内供应全部所需要的能量。氢消耗完以后，氦还可以聚变，还能够提供能量。
像太阳那样，恒星在其一生的大部分时间，辐射的能源是由其中心区热核反应提供的。很多恒星最重要的热核反应是氢核聚变为氦核（氢燃烧）。氢燃烧有两种反应：①质子-质子反应的产能率大体上正比于温度的4次方；②碳氮循环的产能率正比于温度的18次方。中心温度高于1.6×107℃的恒星，碳氮循环占优势；中心温度较低的恒星，以质子-质子反应为主。当温度低于7×106℃时，这两种反应都不起作用。
在恒星演化的后期阶段，发生其他的热核反应。例如，温度接近2×108℃时，3个氦核可聚变成1个碳核（氦燃烧）：34He→12C+y（y代表光子），因为α粒子就是氦原子核，这个反应又称为“3α反应”。碳核又可通过更复杂的反应聚变成氧、钠、镁……碳之后的反应对恒星能量的贡献很小，它们主要的作用在于恒星内部合成了重元素。
英国著名天文学家爱丁诺在1920年指出，恒星内部的核心是具有产能作用的热气体球，并以辐射的方式向外传输它的能量。恒星内部的物质越向中心密度越高，一般来说，恒星内部温度在几百万至数千万摄氏度的状态，不断地向宇宙空间辐射巨大的能量。那么，恒星如此长期消耗能量，靠什么来补充？1938年，美国物理学家、诺贝尔物理学奖得主贝特指出，热核反应是长期维持恒星能量消耗的主要能源。恒星内部的产能方式是4个氢原子核聚变为1个氦原子核的原子核反应。现已弄清，氢是恒星演化第一阶段内部产能的“燃料”，氦是恒星“烧完的灰渣”，碳则是“燃烧”过程的“催化剂”。当然，更进一步的研究发现在核心氢燃尽后，形成的氦又可以聚变产能，但维持的时间就要短多了。