Het hele vroege heelal (minder dan een seconde oud!) wordt gekenmerkt door een extreem hoge temperatuur (10³⁰ Kelvin) en dichtheid (10⁹⁰ gram/cm3). Dit heelal bestaat uit deeltjes zoals quarks (de bouwstenen van protonen en neutronen), leptonen (de bouwstenen van onder andere elektronen), bosonen (de 'dragers van de krachten', bijvoorbeeld gravitonen die de dragers zijn van de gravitatiekracht), maar voornamelijk door fotonen. Door de uitdijing van het heelal nemen de temperatuur en de dichtheid af. Hierdoor kunnen op een gegeven moment de quarks protonen en neutronen gaan vormen, en de leptonen onder andere elektronen.

Als het heelal één seconde oud is, is de temperatuur gedaald tot ongeveer 10⁹ Kelvin. Dan worden uit de protonen en neutronen de eerste atoomkernen gevormd. Hierbij ontstaan voornamelijk de lichte atoomsoorten, zoals waterstof, deuterium, helium, en lithium. Als het heelal is afgekoeld tot ongeveer 4500 Kelvin, het is dan ongeveer tienduizend jaar oud, worden de elektronen die tot dan toe nog vrij waren, gekoppeld aan de atoomkernen. Hierdoor wordt het heelal doorzichtig voor fotonen. De straling die op dat moment ontsnapt in alle richtingen in het steeds verder uitdijende heelal nemen wij nu nog waar als de achtergrondstraling. Bij de verdere uitdijing van het heelal ontstaan uit de dan aanwezige atomen de eerste moleculen.

In het vroege heelal ontstaan dus voornamelijk een aantal lichte elementen (H, D, He en Li). De zwaardere elementen, zoals bijvoorbeeld zuurstof, silicium en ijzer, worden 'gemaakt' als het heelal ouder is en de eerste sterren zich al hebben gevormd. In de kernen van de sterren zorgen fusieprocessen (net als in de zon) voor de energieproductie. Tijdens deze processen worden lichte elementen omgezet (gefuseerd) tot zwaardere, waarbij energie vrijkomt. Als de ster aan het eind van zijn leven komt, kan hij bijvoorbeeld door middel van een (super-)nova explosie deze zwaardere elementen het heelal in sturen.