聚变燃料有氘、氚、锂-6和氘化锂-6等。氘是氢的稳定同位素，天然水中氘的丰度为0.015%，就全球而言，其存量极其巨大，可谓取之不尽，用之不竭。为了使之与占99.985%的氢分离，可用电解、蒸馏或化学交换等方法制取。氚是氢的放射性同位素，半衰期为12.33年，系用金属锂-6或其合金在核反应堆中经中子反应而生成。天然锂中锂-7的丰度为92.5%，锂-6只占7.5%，通常经过汞齐法将锂-6浓缩到90％以上。
由于原子核均带正电，当它们靠近时相互间存在很强的库伦斥力，即使是单电荷的氢或其同位素的核，在通常条件下也很难发生聚合，只有当原子核具备了足够的动能，才能克服库伦斥力彼此靠近，从而增加发生聚变反应的机率。在加速器或中子管中加速轻核再使之轰击其他轻核的靶子可以实现聚变反应，但加速轻核所投入的能量远高于靶上聚变反应所释放的能量，核反应的规模也很小。大量释放核聚变能的可行方法是将聚变材料“加热”到很高的温度，使其原子核获得足够的动能。氘核和氚核在几百万K即能发生明显的聚变反应，即氘-氘聚变和氘-氚聚变反应，温度更高，则更有利于聚变反应的进行。最能引起兴趣的是氘-氚聚变产生氦-4和中子的反应，速率快，释放的能量高。每次聚变放出的17.6MeV能量中有14.1MeV的能量为中子所带走，即生成的是高能中子。
但是，人工造成几百万K以上的高温是非常困难的。利用原子弹爆炸提供的条件，已实现了大规模的氢同位素的聚变反应，从而发明了氢弹。通过人工控制的持续的聚变反应建成聚变反应堆，实现聚变能的和平利用，是一种美好的理想。这种反应堆所用的燃料储量极为丰富，放射性废物少，安全性好。不过要实现这个理想，尚有很长的研究路程。
