核反应区是
太阳中心半径的四分之一范围（约0.25太阳半径），集中了太阳总质量的50%以上，在1500万摄氏度高温和2500-3000亿个大气压的极端环境下，通过质子-质子链主导的氢核聚变反应生成太阳99%的能量。每秒钟约有6亿吨氢转化为氦核，释放相当于400万吨物质转化的能量。该区域产生的
γ射线需1万至17万年才能传递至太阳表面，
中微子则仅需2.3秒即可逃逸。
核反应区占据半径0.25倍的球形空间，体积仅占太阳总体积的1/64，但质量密度超过150g/cm3。其外层与辐射区相接，形成物质密度骤降的过渡带，每向外延伸1公里温度下降数十度。
该区域维持着1500万摄氏度的热力学温度，中心压力达2500亿个标准大气压，相当于地球海平面气压的3000亿倍。在此条件下，氢元素以等离子态存在，原子核平均动能超过库仑势垒。
碳-氮-氧循环作为辅助路径（贡献10%能量），在更高温条件下通过质子-质子链反应和碳循环机制完成氢核聚变。
核反应产生的γ射线光子平均需经历1万至17万年的随机散射，才能穿过
辐射区到达对流层。与之形成对比的是，聚变产生的中微子因
弱相互作用特性，仅需2.3秒即可穿透整个太阳。最终仅有约4.5×10-10的辐射能量抵达
地球。
核反应速率通过核心密度与温度的负反馈机制保持稳定：当聚变率过高时，核心膨胀导致密度下降从而抑制反应；当聚变率过低时，引力收缩使密度升高加速反应。这种自调节机制保障了太阳百亿年尺度的稳定燃烧。
当前核反应区氢质量占比约71%，氦积累至27%。按现有消耗速度估算，可供维持50亿年的稳定核聚变。聚变产物的氦核沉积将逐步改变核心成分比例，为未来红巨星阶段埋下演化伏笔。