由碳 、氮起触媒作用 ， 使4个氢核聚变为1个氦核的链式反应。其过程如下：

12C 1H →13N γ

13N → 13C e ve

13C 1H→ 14N γ

14N 1H→15O γ

15O→15N e ve

15N 1H→12C 4He式中e 、ve和γ分别是正电子 、电子中微子和γ光子 。整个过程中，12C并未消耗 ，只起触媒作用 ，而N 、O等是中间产物，最终结果是4个氢核聚变成1个氦核。这个链式反应释放的能量为25.01兆电子伏 。 碳氮循环实际上还有另一分支过程。当温度高于1.7×107K时 ， 最后一个反应将由以下循环替代：

15N 1H→16O γ

16O 1H→17 F γ

17 F→17O e ve

17O 1H→14N 4He。最后结果仍是产生氦核。由于有两个循环，上述的反应也称为碳氮双循环。

当温度很高时 ，碳氮循环的反应速率比质子-质子反应的高得多。对于大质量、高光度的主序星。碳氮循环是主要的能源 。而像太阳这样的低光度主序星 ，质子-质子反应是主要的能源。