מחזור CNO הוא תהליך היתוך גרעיני, בו ממיר כוכבמימן להליום. תהליך זה הוא תהליך ייצור האנרגיה המרכזי בכוכבים מסיביים יותר מהשמש (1.3 מסות שמש ומעלה). שמו של התהליך נגזר מסימני היסודות המשמשים בו כזרזים: פחמןחנקןחמצן (CNO).
תהליך זה מתאפשר בטמפרטורת ליבה של 13 מיליון מעלות קלווין, והספק האנרגיה ממנו עולה במהירות עם עליית הטמפרטורה. בטמפרטורה של 17 מיליון
מעלות הופך תהליך זה להיות הדומיננטי ביותר בכוכב, ומחליף בכך את התהליך המכונה שרשרת פרוטון-פרוטון.
התהליך מתחיל במיזוג בין איזוטופ12C של פחמן, בעל שישה פרוטונים ושישה נייטרונים לבין פרוטון נוסף.
עקב כך הופך איזוטופ הפחמן לאיזוטופ 13N של חנקן ומשתחרר פוטון של קרינת גמא.
איזוטופ החנקן שנוצר אינו יציב, כי יש לו מספר נמוך יותר של נייטרונים מאשר פרוטונים, ועל כן נפלטים ממנו פוזיטרון וניטרינו, ואחד הפרוטונים שלו הופך לנייטרון.
בכך חוזר איזוטופ החנקן להיות איזוטופ של פחמן, אם כי כעת בעל מספר גדול יותר של נייטרונים (13C).
כאשר איזוטופ פחמן זה פוגש בפרוטון, הוא יוצר שוב אטום חנקן אך הפעם הוא יציב יותר. כמו כן, מיזוג זה פולט פוטון נוסף של קרינת גמא.
מפגש של אטום החנקן ושל פרוטון נוסף, יוצר איזוטופ לא יציב של חמצן (15O), ופולט עוד פוטון של קרינת גמא.
איזוטופ החמצן דועך במהירות, תוך כדי פליטת חלקיקי פוזיטרון ונויטרינו, והופך לאיזוטופ נוסף של חנקן, בעל שבעה פרוטונים ושמונה נייטרונים (15N).
לבסוף, מפגש של איזוטופ זה ושל פרוטון נוסף מייצר אטום אחד של הליום, בעל שני פרוטונים ושני נייטרונים, ואטום פחמן זהה לזה שהחל את התהליך.
