炭素（C）、窒素（N）、酸素（O）を触媒として4つの陽子（水素, p）をアルファ粒子（ヘリウム, He）に変換する一連の核反応。右図に示すように(p, γ)反応や逆ベータ崩壊（核分裂を参照）が連鎖したのち、(p, $\alpha$)反応によりヘリウムが生成される。温度によりCNOサイクルは変化し、温度が高いほど、図では下にまとめた分岐反応が起きる。最も上段の循環はCNサイクルと呼ばれる。CNサイクルでは¹⁴N (p, γ)がサイクル全体の反応率を決める律速過程になりやすい。このためCNOサイクルにより水素を完全に燃焼させた領域にはヘリウムのほかに¹⁴Nが残る。大中質量の主系列星ではCNOサイクルが主要なエネルギー源である（CNOを含まない初代星は除く）。温度が1.5×10⁷ K 以下ではppチェインの方が効率よく水素を燃焼する。