Der Triple-Alpha-Prozess ist das Mittel, mit dem Sterne Heliumkerne zu Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen verschmelzen, wenn sie ihren Wasserstoff als Brennstoff verbraucht haben. Um den Triple-Alpha-Prozess in Gang zu setzen, sind Dauertemperaturen von über 100,000,000 K und eine ausreichende Heliumdichte erforderlich. Dies geschieht, wenn ein Stern beginnt, in seinem Kern durch die Wasserstoffverbrennung erhebliche Mengen an Helium-„Asche“ aufzubauen. Das Helium kann nirgendwo hin und produziert keine eigene Energie, daher aggregiert es im Kern und zieht sich zusammen. Die Kontraktion erhöht die Hitze und den Druck enorm. Bei 100 Megakelvin setzt der Triple-Alpha-Prozess, auch Heliumverbrennung genannt, ein.
Der Triple-Alpha-Prozess hat seinen Namen, weil der Prozess die Verschmelzung von drei Alpha-Teilchen ist. Ein Alphateilchen besteht aus zwei miteinander verbundenen Protonen und zwei Neutronen, was einem Heliumkern gleichkommt. Unter dem kolossalen Druck im Sternkern können zwei Heliumkerne dazu gebracht werden, sich zu einem Berylliumkern zu verbinden und dabei einen Gammastrahl freizusetzen. Der Berylliumkern ist instabil, innerhalb von 2.6×10-16 Sekunden kollabiert er wieder zu Heliumkernen. Wenn aber kontinuierlich genug Berylliumkerne entstehen, verschmelzen irgendwann einer mit einem anderen energetischen Heliumkern und erzeugt Kohlenstoff, einen Kern mit insgesamt sechs Protonen und sechs Neutronen.
Der Triple-Alpha-Prozess tritt in allen Sternen mit niedriger bis mittlerer Masse (0.6-10 Sonnenmassen) spät in ihrem Leben auf. Nach der Stufe des Roten Riesen, bei der der traditionelle Wasserstoff in einer komprimierten Hülle um einen Heliumkern brennt, kollabiert der Kern und beginnt, Helium zu verbrennen, wodurch der Stern in den asymptotischen Riesenzweig des Hertzsprung-Russell-Diagramms geschleudert wird, der die Sternhelligkeit mit dem Spektraltyp vergleicht .
Die Geschwindigkeit der Triple-Alpha-Reaktion hängt stark von der Temperatur des Kerns ab – die Reaktionsgeschwindigkeit ist das Produkt aus der Temperatur hoch 30 und dem Quadrat der Dichte. Bei kleinen Sternen wird der Heliumkern so dicht, dass er zu einer Form von entarteter Materie wird, bei der Temperaturerhöhungen nicht mit Volumenzunahmen korrespondieren. Dies kann zu einer außer Kontrolle geratenen Triple-Alpha-Reaktion führen, die als Heliumblitz bezeichnet wird, bei der 60-80% des Heliums im Kern innerhalb von Minuten verbrannt werden. Bei größeren Sternen beginnt Helium auf einer Hülle außerhalb eines Kohlenstoffkerns zu fusionieren und verhindert so, dass der Zustand der entarteten Materie erreicht wird. In diesen größeren Sternen beginnt schließlich die Kohlenstoffverbrennung.