Cũng như mọi ngôi sao khác trên dãy chính, năng lượng của Mặt trời là sản phẩm phụ của các phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lõi của nó. Ở sâu bên trong Mặt trời, các phản ứng nhiệt hạch diễn ra giải phóng một lượng lớn năng lượng. Năng lượng này đi xuyên qua các lớp của Mặt trời thông qua sự kết hợp của dẫn truyền, đối lưu và bức xạ. Khi ở bề mặt của Mặt trời, nhiệt lượng tỏa ra không gian, làm nóng hệ Mặt trời.
Các phản ứng nhiệt hạch trong lõi của Mặt trời là kết quả của việc các nguyên tử hydro bị ép lại với nhau dưới áp suất lớn. Khi được nén đủ, và nếu nhiệt độ và áp suất đủ cao, các nguyên tử hydro sẽ hợp nhất để tạo thành nguyên tử heli. Phản ứng này tạo ra năng lượng khiến Mặt trời luôn cháy và tương tự như phản ứng tổng hợp trong một vụ nổ hạt nhân.
Mặt trời không có nguồn cung cấp hydro vô hạn. Cuối cùng tất cả các ngôi sao đều cạn kiệt nguồn nhiên liệu này. Theo thời gian, lõi của Mặt trời có khả năng sụp đổ dưới trọng lượng của chính nó, khiến nhiệt độ và mật độ của lõi tăng lên đột ngột. Khi điều này xảy ra, Mặt trời phát triển rất lớn và trở thành một dạng sao được gọi là sao khổng lồ đỏ. Từng là một sao khổng lồ đỏ, Mặt trời phình to, nhấn chìm quỹ đạo của Sao Thủy, Sao Kim và Trái đất.
