熾熱的早期宇宙還是核聚變的理想場所，這是大爆炸理論的最後一個觀測支柱。當宇宙溫度高達10億到100億K時，較輕的原子核能夠聚變為較重的原子核，這個過程被稱為“大爆炸核合成”（bigbangnucleosynthesis）。隨著宇宙的膨脹，溫度會迅速下降，因此核合成只能持續短短几分鐘，聚變也只能發生在最輕的幾種元素之間。宇宙中的大部分氦和氘都是在那個時候形成的。天文學家對宇宙中氦和氘豐度的測量結果，與大爆炸核合成的理論預言吻合。核合成還準確預言了宇宙中質子和中子的豐度，為大爆炸理論提供了進一步的證據。
大爆炸理論-內部結構模型圖 
核子(質子和中子)-內部結構模型圖 