核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应，即两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。 质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），能让核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放

核聚变，即氢原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦），放出巨大能量。因为化学是在分子、原子层次上研究物质性质，组成，结构与变化规律的科学，而核聚变是发生在原子核层面上的，所以核聚变不属于化学变化。

原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的质量的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放或吸收（质能方程）。核聚变是核裂变相反的核反应形式，并且从理论上来说，核聚变反应会终止于铁（Fe），因为铁的原子核最为稳定。

如果要进行热核聚变反应，首先就必须提高物质的温度（几百万度以上的高温），使原子核和电子分开，处于这种状态的物质称为等离子体。核力是一种非常强大的力量，但其力量所及的范围仅止于10^-15米左右，当质子和中子互相接近至此范围时，核力就会发挥作用，因而发生核聚变反应。

冷核聚变是指常温、常压下发生的核聚变反应的假说。冷核聚变不同于恒星内部、热核武器和实验性聚变反应堆中高温、高压的“热”核聚变，也不包括常温的μ子催化聚变。目前，并不存在被主流物理学共识接受的冷核聚变理论或现象。

1919年阿斯顿(F. W. Aston)在实验中发现“氦-4的质量比组成氦的4个氢原子的质量之和大约小1% 左右。根据爱因斯坦质能关系，其质量差恰好等于四个氢原子核聚合成一个氦-4时释放的能量。卢瑟福也几乎在同一时期证明了足够大能量的轻原子核相互碰撞可以发生核反应。

1920年，英国天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)的《恒星内部构造》认为，包括太阳在内的恒星是由氢的核聚变提供动力的。

1929年，阿特金森(Atkinson)和奥特迈斯(Houtermans) 从理论上计算了氢原子在几千万度高温下聚变成氦的可能性，认为太阳上进行的可能就是这种核聚变反应。

1934 年，奥立芬特(Oliphant)发现了第一个 D-D 核反应。

1942年，施莱伯(Schreiber)和金(King)在美国普渡大学首次发现了 D-T 核反应。

1951年，美国在核试验中完成了人类首次核聚变。

1952年，美国在氢弹试验中首次进行了大规模核聚变。

1967年，在西部地区新疆罗布泊的上空，我国的第一颗氢弹爆炸试验获得完全的成功。

2021年12月30日，中国科学院合肥物质科学研究院的托卡马克核聚变实验装置持续进行了17分36秒的反应，是迄今为止持续时间最长的核聚变反应。

2022年12月13日，研究人员在美国加利福尼亚国家点火设施上取得了里程碑式成果。研究小组将192道激光束聚焦到胡椒粒大小的氘和氚颗粒上，成功引发核聚变反应，其生成的能量大于引燃反应所需的能量。首次在核聚变反应中实现净能量增益。但如果要利用这项技术发电，则需要持续不断的核聚变反应。（吉尼斯世界纪录）