All'opposto della fissione, che crea energia tramite divisione dei nuclei, la fusione avviene quando due o più nuclei impattano con forza sufficiente a fonderli insieme, rilasciando fotoni nel processo. Le reazioni di fusione danno energia alle stelle dell'universo e causano l'emissione di luce e calore in quantità impressionanti.

Durante la Seconda guerra mondiale le ricerche su fusione e fissione nucleare procedevano in parallelo, ma nel 1946 due ricercatori britannici ottennero il brevetto per un prototipo di reattore a fusione basato sul confinamento del plasma (simile a quello stellare) tramite un campo magnetico. L'anno seguente, due squadre di scienziati avviarono una serie di esperimenti sempre più ambiziosi per generare elettricità tramite fusione nucleare; fu un altro britannico impiegato presso Los Alamos, James Tuck, a costruire una serie di reattori di fusione, per giungere a un ultimo modello chiamato derisoriamente "Perhapsatron" (dall'inglese "perhaps", "magari"). Purtroppo il nome si rivelò appropriato: gli esperimenti evidenziarono instabilità nella progettazione dei reattori, tanto che gli esperimenti sulla fusione furono accantonati.

Furono invece gli ingegneri militari a sviluppare la prima forma di fusione nucleare creata dall'uomo, con la bomba termonucleare Ivy Mike fatta esplodere nel 1952 presso l'atollo di Enewetak. Due anni dopo toccò a Castle Bravo, detonata presso l'atollo di Bikini e della potenza di 15 megaton. Nel frattempo l'Unione Sovietica lavorava alla creazione del proprio arsenale termonucleare. Si tratta di reazioni di fusione non controllate.

La ricerca sulla fusione nucleare proseguì a piccoli passi (e con qualche battuta d'arresto) tra gli anni 50 e gli anni 90. Nel 1991 gli scienziati del Joint European Torus, in Inghilterra, ottennero la prima reazione di fusione controllata. Come accade di solito questo portò alla pubblicazione di numerosi studi che avevano lo scopo di migliorare il processo, rendendo il reattore sempre più piccolo, affidabile e a buon mercato. Nonostante i prevedibili scontri sull'argomento, nel 2014 il laboratorio "Skunk Works" di Lockheed Martin annunciò la creazione di una fusione a beta elevata, oltre ai progetti per la costruzione di un prototipo da 100 megawatt entro il 2017, da attivare nel 2022.