宇宙誕生直後の高温高密度期では、陽子や中性子は電子とニュートリノを交換しながら平衡状態（ベータ平衡）を保って存在しているが、平均エネルギーが0.1 MeV（温度にして10億度）くらいになると、陽子と中性子が反応し元素の合成が始まる。この時期の元素合成を星の内部での元素合成と区別してビックバン元素合成という。
ビッグバン後約10分までの間にもともとあった水素（¹H）を含む、重水素（D=²H）、三重水素（トリチウム：T=³H）、ヘリウム（³H, ⁴He）と、微量のリチウム（⁷Li）とベリリウム（⁷Be）が作られる（元素記号の左上の数字は質量数）。ビックバン元素合成では、星の内部での元素合成と異なり、宇宙膨張にともない物質の密度と温度が下がるので三体反応が起こらず、これ以上重い元素の合成は起きない。ただし、放射性元素（不安定元素）であるT（半減期12.3年）と⁷Be（半減期53日）はそれぞれ、³Heと⁷Liに放射性崩壊する。ビッグバン元素合成で作られる元素をまとめて軽元素ということがある。
従って、ビッグバン元素合成の後に残る安定元素（の原子核）は、H、D、³He、 ⁴He、⁷Li （原子番号1から3までの元素）である。これらの元素の存在量が観測された値とほぼ一致していることが、ビックバン宇宙論の重要な根拠の一つとなっている。