碳聚变过程是一种核聚变反应，发生在质量较重的恒星（诞生时至少4 MSun以上）耗尽了核心内较轻的元素之后。它需要高温（6×108 K）和高密度（大约2×108 kg/m3），主要过程是：
另一类为：
在氦的聚变停止后，碳聚变开始。当氦聚变时，恒星建立起一个富含碳和氧的惰性核心，一旦氦的密度降低至无法继续聚变的水平时，核心便会因为引力而坍缩。体积的缩小造成核心的温度和压强上升至碳聚变的临界温度，这也会使围绕着核心周围的温度上升，使氦在邻接核心的壳层内继续聚变。于是恒星的体积增加，膨胀成为红超巨星。
当碳聚变时，产物（氧、镁、氖）堆积成新的惰性核。在一段时间之后（或许～一千年）碳的相对丰度将会降低至不能持续的程度，于是核心温度开始下降并再次收缩。收缩会加热核心使得氖开始聚变反应（参见氖融合）。围绕着核心的碳壳层也会继续聚变，而在更外面还有氦壳层和氢壳层在聚变。
在这个阶段点上，质量在4-8倍太阳质量的恒星，变得不稳定并以巨大的恒星风将外面的壳层抛出，留下的就是以氧-镁-氖核心的白矮星。
质量更大的恒星将继续氖融合，但是从此刻起的演变是很快的，外壳通常来不及反应出变化。
