Mit Deuteriumbrennen wird in der Astrophysik die Kernfusion von Deuterium-Kernen mit Protonen oder anderen Deuterium-Kernen bezeichnet. Zu Beginn der Sternentwicklung (Protosterne) und in Braunen Zwergen ist sie die einzig mögliche Fusionsreaktion. In Sternen der Hauptreihe, beispielsweise der Sonne, ist sie nur mehr ein Zwischenschritt des Wasserstoffbrennens.
Bei Fusionsreaktionen unter Laborbedingungen (Fusionsreaktor, kalte Fusion) ist die Bezeichnung „Brennen“ unüblich.