氦聚变是核聚变的一种，参与此一反应的原子核是氦。
这种由氦4（α粒子）融合的反应就是所谓的是3氦过程（3α过程），因为这项反应先由两个氦核聚变成为铍 8，但是这种同位素很不稳定，半衰期只有2.6×10-16秒，随即又分裂成两个氦。如果这颗恒星的核心温度高达一亿K，并且又在红巨星或红超巨星末期的演化阶段，则第三颗氦原子能在铍衰变之前参与反应，于是形成碳12。取决于温度和压力，额外的氦核也可能参与反应形成氧 16；在非常高的温度下，另外的氦核也可能和氧融合而产生更重的元素（参考氦核作用）。
氦3本身或氦4主要形成于主序星（参考质子-质子链反应），并且一般还不会进行氦聚变。
Alak K. Ray (2004) Stars as thermonuclear reactors: their fuels and ashes (arxiv.org article)
