直到大約三億五千萬K時，核融合反應才能釋放出足以自我維持的能量。而在如此高的溫度下，所有物質早就游離化了，這種游離化狀態叫做電漿（plasma）。

提供核能的主要形式有三種，核衰變、核分裂以及核融合。
核融合是指由質量小的原子，例如說是氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。
根據愛因斯坦的質能互換原理：E = mc² ，氘與氚做核融合反應後所減少的質量，約為0.01875 amu，轉換成能量，約為17.6MeV。核融合的能量非常大，氫彈就是利用核融合的原理製造的。核融合也是在太陽和許多恆星中經常進行著的反應。相較於核分裂來說，核融合的優點是沒有放射性汙染的顧慮。其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，可說是很理想的能源之一。
核融合首先要讓原子核與原子核之間能夠很「靠近」才可能有反應發生，因原子核帶正電，會互相排斥，故必須外加相當的能量，以破除庫倫電位障壁。當溫度達到一百萬K時，有些原子核移動的夠快，可以撞在一起，但是放出的能量還太小。直到大約三億五千萬K時，核融合反應才能釋放出足以自我維持的能量。而在如此高的溫度下，所有物質早就游離化了，這種游離化狀態叫做電漿（plasma）。
目前人類已經可以實現不受控制的核融合，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核融合的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。而觸發核融合反應必須消耗能量，因此人工核融合的能量與觸發核融合的能量，要到達一定的比例才能有經濟效應。科學家正努力研究如何控制核融合，但是現在看來還有很長的路要走。
目前研究中主要的幾種可控制核融合方式：超聲波核融合、雷射約束（慣性約束）核融合、磁約束核融合（托卡馬克裝置）。主要的難題，除了高溫高壓之外，在於電漿態中的雜質以及電漿態的不穩定。雖然核融合之實用化，尚需全球科學家做出長期而艱苦的努力，不過一旦成功，人類就可以建立高效率、低汙染、用之不竭的能源。