Par opposition à la fission nucléaire, où l'énergie est produite par la division d'un noyau, la fusion nucléaire se produit lorsqu'au moins deux noyaux entre en collision suffisamment violemment pour s'interpénétrer, ce qui génère un grand nombre de photons. La fusion nucléaire est à l'origine des étoiles de l'Univers, qui produisent énormément de lumière et de chaleur.

Pendant la Deuxième Guerre mondiale, les scientifiques à l'origine de la première bombe atomique profitèrent de leurs travaux sur la fission nucléaire pour découvrir la fusion. En 1946, un brevet fut octroyé à des chercheurs britanniques pour un prototype de réacteur à fusion à striction axiale (effet pinch), dans lequel un champ magnétique induit peut contenir un plasma, sur le même principe que celui d'une étoile. L'année suivante, deux équipes de chercheurs se lancèrent au Royaume-Uni dans des expériences de plus grande envergure visant à produire de l'électricité par fusion. James L. Tuck, un autre Britannique envoyé à Los Alamos initialement dans le cadre du projet Manhattan, construisit plusieurs réacteurs à fusion, dont le plus grand d'entre eux à effet pinch, sarcastiquement surnommé le "peut-être-atron". Ce surnom fut prémonitoire, car les expériences montrèrent des instabilités dans le plasma, ce qui empêcha la fusion de jamais être réalisée.

La première explosion nucléaire artificielle par fusion fut finalement l'œuvre des ingénieurs en armement. Ivy Mike, première bombe thermonucléaire, fut testée en 1952 dans l'atoll d'Eniwetok. Deux ans plus tard, la bombe Castle Bravo, d'une puissance de 15 mégatonnes, fut détonnée dans l'atoll de Bikini. Comme si les bombes A ne suffisaient pas, à la même époque, l'URSS mettait également sur pied son propre arsenal thermonucléaire à grands renforts de tests, mais toutes ces réactions de fusion restaient incontrôlées.

Essuyant quelques échecs, la recherche en fusion nucléaire progressa cahin-caha entre les années 1950 et 1990, jusqu'à ce qu'en 1991, des scientifiques du Joint European Torus en Angleterre parviennent à contrôler pour la première fois l'énergie dégagée par une réaction de fusion. Comme il fallait s'y attendre, de nombreux articles furent par la suite publiés expliquant comment améliorer le processus pour fabriquer des réacteurs plus petits, moins chers et plus maniables. La division Skunk Works de Lockheed Martin a déclaré en 2014 travailler au développement d'un réacteur à fusion thermonucléaire, annonce accueillie avec le plus grand scepticisme. La société prévoit également la construction d'un prototype de réacteur de 100 mégawatts d'ici 2017, pour une mise en service en 2022.