La fisión nuclear es un proceso en el cual un núcleo atómico pesado (generalmente uranio-235 o plutonio-239) se divide en dos o más núcleos más ligeros, liberando neutrones, fotones (rayos gamma) y una gran cantidad de energía. Este proceso puede ser espontáneo, pero más comúnmente se induce bombardeando el núcleo pesado con un neutrón. Un ejemplo típico es la fisión del uranio-235:

El origen de la energía desprendida en la fisión nuclear se debe a la diferencia en la energía de enlace por nucleón entre los núcleos iniciales y los núcleos productos. La energía de enlace por nucleón es la energía necesaria para separar un núcleo en sus nucleones individuales (protones y neutrones). Cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo.En la curva de energía de enlace por nucleón, los núcleos de masa intermedia (alrededor de A=50-60, como el hierro) tienen la mayor energía de enlace por nucleón. Los núcleos pesados tienen una energía de enlace por nucleón menor. Al fisionarse un núcleo pesado en dos núcleos de masa intermedia, los productos resultantes tienen una energía de enlace por nucleón mayor que el núcleo original.Esta diferencia en la energía de enlace significa que la masa total de los productos de la fisión es ligeramente menor que la masa total del núcleo original más el neutrón incidente. Esta "pérdida de masa" se conoce como defecto de masa ($\Delta m$) y se convierte en energía de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein:

La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado, liberando una cantidad extremadamente grande de energía en el proceso. Este es el proceso que alimenta el Sol y otras estrellas. Para que la fusión ocurra, los núcleos deben acercarse lo suficiente para que la fuerza nuclear fuerte (atractiva) supere la repulsión electrostática (fuerza de Coulomb) entre los protones cargados positivamente. Esto requiere temperaturas y presiones extremadamente altas.Un ejemplo común de reacción de fusión es la de deuterio y tritio para formar helio y un neutrón:

El origen de la energía desprendida en la fusión nuclear es análogo al de la fisión, pero en sentido opuesto. Los núcleos ligeros iniciales (como el deuterio y el tritio) tienen una energía de enlace por nucleón relativamente baja. Al fusionarse para formar un núcleo más pesado (como el helio-4), el núcleo resultante tiene una energía de enlace por nucleón significativamente mayor.Al igual que en la fisión, esta mayor estabilidad de los productos de la fusión se traduce en una "pérdida de masa" (defecto de masa $\Delta m$) en comparación con la masa total de los núcleos iniciales. Esta masa que "falta" se convierte en energía según la relación $\Delta E = \Delta m c^2$. En resumen, tanto la fisión como la fusión buscan alcanzar núcleos más estables, ya sea dividiendo núcleos muy pesados o uniendo núcleos muy ligeros, liberando el exceso de energía de enlace en forma de calor y radiación.