La producció d’energia mitjançant la fusió nuclear ja fou considerada el 1928, però les primeres experiències serioses no començaren fins el 1950. La fusió nuclear, contràriament a la fissió, no produeix residus radioactius perillosos. L’energia d’enllaç dels nuclis atòmics (nucli) per nucleó passa per un màxim per a nuclis de nombre atòmic A al voltant de 60; és per això que els nuclis lleugers (A<60) alliberen energia en fusionar-se, i els pesants (A>60) ho fan en fissionar-se. Les principals reaccions de fusió són:
Les dues darreres poden ésser considerades una conseqüència de les dues primeres. Hi ha una temperatura llindar que cal superar perquè l’energia obtinguda en la fusió nuclear sigui més gran que la necessària per a produir-la. La necessitat d’emprar temperatures elevadíssimes, de l’ordre de les centenes de milions de graus, ha fet donar a l’energia de fusió el nom d'energia termonuclear. A aquestes elevades temperatures els àtoms són totalment ionitzats i el gas constituït per ells rep el nom de plasma. La fusió, al contrari de la fissió, no es produeix en cadena. De tota manera, si el plasma es manté a una temperatura que superi àmpliament el llindar que dona un balanç energètic positiu, l’alliberament d’energia termonuclear pot mantenir la fusió de nous nuclis. El control de la fusió és el problema bàsic per a la producció d’energia termonuclear a escala industrial: cal portar el plasma a una temperatura molt elevada i assegurar l’estabilitat del plasma. Per tal d’assolir temperatures tan elevades, cal fornir gran quantitat d’energia (superior als 700 MW) al sistema; d’altra banda, l’estabilitat del plasma s’aconsegueix en confinar-lo (confinament) mitjançant potents camps magnètics, de forma anul·lar, generats en complexos dispositius, el més emprat dels quals constitueix el tokamak. Hom espera que l’energia produïda per la fusió nuclear abasti les necessitats del futur. Entre les iniciatives destinades a controlar la fusió nuclear amb finalitats energètiques, cal destacar la desenvolupada pel programa europeu Joint European Torus (JET) d’Abingdon (Anglaterra), en què participa l’Estat espanyol. L’any 1991, al JET, s’aconseguí mantenir la fusió nuclear controlada, amb producció significativa d’energia, durant dos segons, a una temperatura d’entre 200 i 300 milions de graus. Tot i així, tenir centrals nuclears de fusió no sembla possible abans de la dècada del 2030. Des de mitjan anys vuitanta, els esforços més importants en el camp de la fusió nuclear se centren en l’ITER, projecte de gran abast impulsat sobretot per la Unió Europea, en el qual participen també els Estats Units d’Amèrica, el Japó, Rússia, la República de Corea, la Xina i l’Índia. La fusió incontrolada és el principi en què es basa el funcionament d’una bomba nuclear de fusió o bomba d’hidrogen. La font d’energia del Sol i d’altres astres no és més que la fusió nuclear de l’hidrogen.