Terwijl andere wetenschappers hadden voorgesteld dat sterren de bron waren van zwaardere elementen, was Hoyle's werk in de jaren 1950 cruciaal bij het ontwikkelen van een gedetailleerd begrip van het proces, bekend als nucleosynthese .

Hoyle, samen met Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge en William Fowler, publiceerden in 1957 een mijlpaal waarin de theorie van de stellaire nucleosynthese schetste. Dit artikel toonde aan hoe de fusie van waterstofkernen binnen sterren alle elementen in het periodiek systeem zou kunnen creëren.

Het is echter belangrijk op te merken dat de ideeën van Hoyle aanvankelijk controversieel waren . Veel wetenschappers geloofden destijds dat het universum gevuld was met oorspronkelijke elementen, en dat sterren gewoon deze bestaande elementen verbrandden. Hoyle's werk was baanbrekend omdat het dit heersende beeld uitdaagde.

Hoewel Hoyle niet de eerste was die suggereerde dat sterren betrokken waren bij het maken van elementen, was zijn werk een belangrijke rol bij het stimuleren van het begrip van stellaire nucleosynthese als de primaire bron van chemische elementen.