היתוך גרעיני הינו ריאקציה המתחוללת בין גרעיני אטומים ליצירת יסוד חדש, קרי שני יסודות מתמזגים ליצירת יסוד אחר. תהליך זה מלווה בשיחרור קרינה ואנרגיה רבה. תהליך היתוך גריעיני הינו נפוץ בטבע ומתחולל בכוכבים. היתוך כזה מתחולל גם בשמש, שם תהליך ההיתוך הבסיסי והעיקרי הוא מיזוג גרעיני מימן ליצירת גרעין הליום. התהליך מלווה בשחרור אנרגיה עצום המפיח חיים בכדור הארץ.
גם בתהליך ההיתוך מקורה של האנרגיה הרבה הוא בעובדה שסך כל המסה של תוצר ההיתוך קטנה ממסת הגרעינים המשתתפים בהיתוך, והמסה החסרה עברה המרת מסה לאנרגיה על פי משוואת איינשטיין E=MC².
תהליך היתוך גרעיני משמש גם בפצצות המימן ההרסניות. אך עם זאת מחקר/ופיתוח לא צבאיים ולמטרות שלום יכולים לעשותו למקור אנרגיה בלתי נדלה לאנושות.