Durante la mayor parte de la vida de una estrella, el principal combustible es de origen nuclear a través de la fusión de los núcleos de los átomos: primero el hidrógeno, luego el helio, etc. La masa, después de la fusión, es menor que las masas iniciales y la diferencia es transformada en energía, según la famosa ecuación de Einstein.

El proceso por lo cual se extrae energía es parecido al de la bomba de hidrógeno; con la salvedad que en el caso de estrellas, la combustión está controlada por fuerzas que actúan en su interior.

Los elementos químicos más pesados que el helio sólo pueden ser sintetizados en el interior de las estrellas. Éstas, al explosionar, diseminan el material procesado que, a su vez, da lugar al nacimiento de estrellas de nueva generación con más metales en su composición química. El hierro de la hemoglobina de la sangre o el calcio de los huesos son productos de la nucleosíntesis estelar.

Las estrellas también extraen energía de la auto-gravitación, como por ejemplo, cuando una estrella es muy joven, casi toda la energía viene de la contracción gravitacional.