碳氮循环是指对于第一代恒星,它们在开始燃烧时只有大爆炸生成的氢和氦,只能通过质子质子循环进行氢燃烧。但对于第二代和第三代恒星(如太阳),它们在开始氢燃烧时星云中含有少量前一代恒星爆炸后遗留下来的重元素碳和氮,因此氢(质子)可以在碳、氮、氧的催化剂作用下生成氦(*He),反应前后,碳、氮、氧保持不变。碳~氮循环的净结果与质子质子循环完全一样,都是由4 个氦质子转化为1个*He核，并释放出大量能量。碳-氮循环有两种方式。碳~氮循环的一个重要结果是“N的合成,银河系物质中所有的“N均起源于这 一反应。
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。
2022年9月，中国科学院成都生物研究所陈槐研究员及其合作者通过研究青藏高原上的碳氮循环变化及驱动机制，提出草地可持续管理、生态工程和绿色技术发展，可抑制青藏高原温室气体排放，有助于维持青藏高原的碳汇功能，相关研究在《自然综述：地球与环境》上发表。
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