Ein chemisches Element ist eine Atomart wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Bis 2011 wurden 118 Elemente beobachtet, von denen 98 natürlich auf der Erde vorkommen. 20 Elemente werden in Kernreaktoren oder Teilchenbeschleuniger-Experimenten künstlich erzeugt. Das erste synthetische Element, das in nennenswerten Mengen erzeugt wurde, war Plutonium, Element 94. Plutonium ist auch das schwerste natürlich auf der Erde vorkommende Atom. Mit einer Halbwertszeit von nur 80 Millionen Jahren kommt Plutonium in extrem geringen Mengen in Uranerzen vor.
Die heutigen chemischen Elemente stammen aus einer von drei Quellen: Supernova-Nukleosynthese, stellare Nukleosynthese und Urknall-Nukleosynthese. Nukleosynthese tritt auf, wenn Atomkerne so eng und mit so großer Hitze zusammengepresst werden, dass sie die gegenseitige Abstoßung ihrer Elektronenhüllen überwinden und schwerere Kerne produzieren. Auf diese Weise können Wasserstoffkerne zu Heliumkernen fusioniert werden, die wiederum zu Kohlenstoffkernen verschmelzen können, wenn Bedingungen von ausreichender Temperatur und ausreichendem Druck erreicht werden.
Am Anfang war das Universum so heiß und dicht, dass es nur aus freien Quarks – den Bestandteilen von Protonen und Neutronen – Elektronen und Strahlung bestand. Nach einer millionstel Sekunde begannen Quarks zu Baryonen zu verschmelzen: Protonen und Neutronen. In den ersten zwanzig Minuten nach dem Urknall überstieg die Temperatur des Universums die Temperatur im Zentrum der hellsten Sterne mit einer Dichte, die größer ist als die von Luft. Während dieser Zeit kollidierten Protonen und Neutronen energetisch, um größere Kerne zu bilden: Deuterium und zwei Heliumisotope. 25 Prozent der gesamten Materie im Universum wurden in Helium umgewandelt, mit etwa 75 Prozent Wasserstoff, zusammen mit Spuren von schwereren Elementen wie Lithium. Dies ist vergleichbar mit dem heutigen Verhältnis der chemischen Elemente.
Die ersten Sterne bildeten sich etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall und leiteten eine andere Form der Nukleosynthese ein, die als stellare Nukleosynthese bezeichnet wird. Bei der stellaren Nukleosynthese durchläuft stark verdichtete Materie im Zentrum eines Sterns eine Kernfusion, die große Energiemengen freisetzt und die Gravitationskräfte ausgleicht, die den Stern kollabieren lassen. Dies kann man sich als eine kontinuierlich explodierende H-Bombe vorstellen. Bei der stellaren Nukleosynthese entstehen Elemente bis hin zum Eisen des Periodensystems.
Um ein Element zu erzeugen, das schwerer als Eisen ist, ist eine andere Art der Nukleosynthese erforderlich, die Supernova-Nukleosynthese. Supernovae treten auf, wenn Sterne katastrophal kollabieren, nachdem sie ihren gesamten Kernbrennstoff in ihren Kernen verbraucht haben. Die atmosphärische Hülle des Sterns kollabiert aufgrund der Schwerkraft nach innen und prallt von einem Kern aus nahezu inkompressibler „elektronenentarteter“ Materie ab. Während dieses abrupten Sprungs werden mehrere Prozent des Materials des Sterns fast augenblicklich zu schwereren Elementen verschmolzen. Dadurch wird genug Energie freigesetzt, damit die Supernova ihre Wirtsgalaxie tage- oder wochenlang überstrahlen kann. Elemente, die schwerer als Eisen sind, werden während dieses unglaublich energetischen kosmischen Ereignisses synthetisiert.