Die thermonukleare Reaktion findet im Inneren von Sternen statt. Sie beschreibt die Kernfusion (Kernverschmelzung) von Wasserstoff zu Helium, aber auch von Helium zu anderen schweren Elementen. Bis hin zum Eisen ist diese Reaktion stark exotherm, das heißt, es wird Energie freigesetzt. Die Fusion zu Elementen, die nach dem Eisen folgen, läuft nur endotherm ab. Deshalb kommen die Fusionsprozesse spätestens mit der Bildung von Eisen schlagartig zum Erliegen (siehe Supernova).
Eine thermonukleare Reaktion erfolgt nur bei sehr hohen Temperaturen und Drücken. Auf der Erde können diese nur bei der Explosion von Wasserstoffbomben erreicht werden.
Thermonukleare Reaktionen sind die Energiequelle der Sterne. Ein Stern gibt die Energie vor allem in Form elektromagnetischer Strahlung ab.