Loại phản ứng hạt nhân thứ hai toả ra năng lượng là sự kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn. Thí dụ các phản ứng kết hợp các đồng vị của hiđrô là đơteri  (hoặc D) và triti (hoặc T).

               

               

Tuy một phản ứng kết hợp toả năng lượng bé hơn một phản ứng phân hạch, nhưng nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng kết hợp toả năng lượng nhiều hơn.
   
Tuy nhiên phản ứng kết hợp rất khỏ xảy ra vì các hạt nhân tích điện dương và đẩy nhau. Người ta đã tính ra rằng phải nâng nhiệt độ của hiđrô lên tới khoảng 50 – 100 triệu độ thì các hạt nhân mới có động năng đủ lớn để thắng lực đẩy Culông và tiến gần nhau đến mức mà lực hạt nhân tác dụng và kết hợp chúng lại. Chính vì phản ứng kết hợp chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao nên mới gọi là phản ứng nhiệt hạch.
   
Từ lâu người ta đã tìm hiểu nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao. Mặt Trời liên tục phát ra năng lượng rất lớn trong không gian, công suất bức xạ lên tới . Đến nay người ta cho rằng chính các phản ứng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời, vì trong lòng Mặt Trời tồn tại nhiệt độ rất cao, cho phép các phản ứng ấy xảy ra.

Nhà bác học Mĩ Betơ (Bethe) đã nêu lên một chỗi phản ứng kết hợp gọi là chu trình cacbon-nitơ gồm 6 phản ứng tiếp nhau, với sự tham gia của cacbon và nitơ như là các chất xúc tác và trung gian, nhưng xét tổng hợp thì cả chu trình rút về sự tạo thành hạt nhân hêli từ các hạt nhan hiđrô.

               

Cả chu trình kéo dài hàng chục triệu năm nhưng từng phản ứng liên tục xảy ra, và chu trình này cung cấp một phần năng lượng cho Mặt Trời (bên cạnh các chu trình khác). Mặt Trời mất năng lượng do bức xạ thì theo hệ thức của Anhxtanh, khối lượng của nó liên tục giảm. Nhưng vì khối lượng Mặt Trời rất lớn nên sự giảm này chỉ đáng kể sau hàng triệu năm.

Con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng không kiểm soát được, đó là sự nổ của bom kinh khí (khinh khí này chứa một hỗn hợp đơtêri và triti, và một quả bom nguyên tử trăm triệu độ, tiếp đó phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cộng thêm năng lượng của nó vào năng lượng phân hạch, nên bom khinh khí có sức tàn phá ghê gớm (tương đương vài chục triệu tấn chất nổ thông thường TNT).
   
Một trong những mục tiêu quan trọng nhất của vật lí học hiện nay là thực hiện phản ứng nhiệt hạch dưới dạng kiểm soát được, nghĩa là xảy ra với những lượng nhiên liệu nhỏ, toả ra năng lượng hạn chế có thể sử dụng vào các mục đích hoà bình. Nếu lượng vì nhiên liệu nhiệt hạch hầu như vô tận: trong nước thường của sông ngòi, đại dương… bao giờ cũng có lẫn 0,015% được từ chất liti . Về mặt sinh thái thì phản ứng nhiệt hạch cũng “sạch” hơn phản ứng phân hạch, vì ít có bức xạ hoặc cặn bã phóng xạ làm ô nhiễm môi trường.

Các nước tiên tiến đều tích cực nghiên cứu vấn đề khống chế phản ứng nhiệt hạch, nhưng còn nhiều khó khăn phải khắc phục.