Stjernenukleosyntese er en fællesbetegnelse for de nukleare reaktioner, som finder sted i stjerner, og som opbygger de tungere grundstoffers atomkerner.
De processer, som foregår, begyndte at blive forstået tidligt i det 20. århundrede, da det for første gang blev klart, at det er energien, som frigøres ved kernereaktioner, der har givet Solen mulighed for at eksistere som kilde til varme og lys i milliarder af år. Den vigtigste energiproduktion i Solen sker ved fusion af brint til helium, hvilket sker ved en minimumstemperatur på 3 millioner K.