Ядерна астрофізика включає дослідження всіх ядерних процесів, що відбуваються в зорях і інших космічних об'єктах. Певною мірою вона перекривається з фізикою космічних променів і нейтринною астрофізикою. Ядерні процеси, тобто ядерні реакції і слабкі взаємодії, призводять до виділення (поглинання) енергії, а також до утворення (розпаду) різних хімічних елементів. До завдань ядерної астрофізики входить головним чином визначення ймовірності різних ядерних процесів і їхнього енергетичного ефекту. Ці дані використовуються в теорії еволюції зір і в теорії нуклеосинтезу. Для теорії еволюції зір найважливіші ядерні реакції між зарядженими частинками, включаючи протони, альфа-частинки тощо. Вони відбуваються всередині зір в умовах термодинамічної рівноваги при максвеллівському розподілі частинок за швидкостями. Тому швидкість таких термоядерних реакцій пропорційна ймовірності подолання кулонівського бар'єра, усередненій за рівноважним розподілом відносних швидкостей частинок. Внаслідок цього інтенсивність термоядерних реакцій і їхнє енерговиділення різко зростають з температурою. Дуже важливим є врахування електронного екранування в плазмі, яке знижує висоту бар'єра і полегшує протікання ядерних реакцій. Для обчислення швидкостей реакцій використовуються поряд з експериментальними даними різні теоретичні моделі ядер. Процеси слабких взаємодій часто входять до ланцюжка ядерних процесів, зокрема до першої реакції водневого циклу 1Н + 1H → D + e+ + ν, де е+—позитрон, ν — нейтрино. На пізніх стадіях еволюції зір, коли електрони стають виродженими, для слабких взаємодій характерна заборона на радіоактивний бета-розпад ядер. Для цих же умов характерні електронні захоплення (при неперервному енергетичному спектрі електронів, на відміну від звичайного в земних умовах K-захоплення).
Ядерна астрофізика приводить до висновку про існування певних виокремлених стадій термоядерного горіння в ході еволюції зорі. Тривале існування зір на головній послідовності зумовлене водневою стадією горіння (водневим циклом або вуглецевим циклом ядерних реакцій). За водневим горінням слідує гелієве горіння з реакцією синтезу вуглецю з трьох ядер гелію. Гелієве горіння властиве зорям типу гігантів і надгігантів. Після гелієвого горіння послідовно настають вуглецева, неонова, кисенева і, нарешті, кремнієва стадії горіння. Кожна стадія складається із системи основних і другорядних ядерних процесів, з яких лише перші істотні для енергетичного ефекту. Другорядні реакції, однак, важливі в нуклеосинтезі. Основні реакції постгелієвих стадій типу (αγ) супроводжуються другорядними: (αр), (рγ), (αn), (nγ) тощо. Наприкінці кремнієвого горіння температура в центрі зорі збільшується до ~3·10°К (зростання температури і густини за законом T~p1/3 становить суть еволюції зорі). У цих умовах ефективна енергія теплового руху реагуючих частинок досягає ~1 МеВ, кулонівський бар'єр практично зникає і настає ядерна статистична рівновага. Деяка відмінність концентрацій нейтронів і протонів порівняно з початковим складом зорі є результатом нерівноважних слабких взаємодій. Рівноважне горіння характерне для початку і ходу гравітаційного колапсу — останнього етапу еволюції зорі перед переходом її в стан нейтронної зорі. В оболонці зорі, що колапсує, однак, відбуваються ядерні реакції попередніх стадій, але у вибуховому режимі. Їм супроводить вибуховий нуклеосинтез. Значною мірою ці вибухові процеси впливають на скидання оболонки, тобто на спалах наднової зорі. При гравітаційному колапсі і спалаху наднової зорі утворюється помітна кількість вільних нейтронів, роль яких на більш ранніх стадіях була невеликою. У присутності елементів групи заліза вільні нейтрони швидко захоплюються цими елементами (т. зв. r-процес), що веде до утворення всіх важчих хімічних елементів і збільшення їхньої частки в ізотопному складі речовини Всесвіту. Синтезу важких елементів сприяють також реакції з вільними протонами.
Ядерна астрофізика вивчає ядерні процеси в зорях, ґрунтуючись на матеріалі експериментальної ядерної фізики, яка безперервно вдосконалюється. У ядерній астрофізиці з'являються нові області дослідження, зокрема нейтринний нуклеосинтез. Потужний потік нейтрино, породжений колапсом зорі, спричиняє ядерні перетворення в навколишній її речовині. Цей процес дає внесок в утворення найлегших ядер (крім реакції сколювання) і обійдених ядер (крім реакцій з швидкими протонами). Ще можна вказати на нуклеосинтез дуже важких ядер завдяки поділу і бета-розпадам у згустках речовини, гіпотетично викинутого з надр нейтронних зір. Раніше утворення надважких елементів важко пояснювалося r-процесом.