Pärast 10 sekundit, temperatuuridel alla 109 K, ühinesid prootonid ja neutronid tuumasünteesis esimesteks aatomituumadeks. Seda protsessi nimetatakse ürgseks tuumasünteesiks. Sealjuures moodustus 25% heelium-4 (4He) ja 0,001% deuteeriumi ning heelium-3 (3He), liitiumi ja berülliumi. Ülejäänud 75% moodustasid prootonid, hilisemad vesiniku aatomi tuumad. Vanimatel tähtedel kosmoses on veel praegugi just niisugune koostis. 5 minuti pärast oli aine niipalju hõrenenud, et tuumasüntees vaibus. Järelejäänud vabad neutronid ei olnud stabiilsed ning järgmiste minutite jooksul lagunesid nad prootoniteks ja elektronideks.