Unha parte importante do programa físico do LHC implica colisións Pb-Pb  cunha luminosidade de 10²⁷cm^-2s^-1. Isto foi conseguido despois dunha mellora da cadea de inxección de ions, incluíndo o Linac3 e o LEIR (e tamén o  PS e o SPS, obviamente). Cada  ciclo do LHC será enchido con case 600 bunches, cada un con 7×10⁷ ións de chumbo. Parte básica do esquema é o Low Energy Ion Ring (LEIR), que transforma os longos pulsos que veñen do Linac3 en bunches de "alto brillo".

Ademais, desde setembro de 2012, no LHC se están a producir colisións p-Pb (protón-Chumbo). Estas colisións non estiveron previstas nos comezos do LHC  pero teñen espertado un enorme interese entre os físicos do LHC. Todos os experimentos están unidos a este programa de colisións, incluindo o  LHCb que non era considerado dentro dos experimentos con ions pesados.

Un dos principais obxectivos para as colisións ion-ion é producir unha moi pequena cantidade dunha materia chamada plasma quark-gluon, para estudar a súa evolución ata a materia ordinaria que forma o universo hoxe. Esta investigación dará luz para entender como a interacción forte une os quarks para formar obxectos maiores como protóns e neutróns. Estas colisións de ions pesados proporcionan un único micro-laboratorio para estudar a materia muy quente e densa. En realidade esta parte do programa do LHC permitirá comprobar como debeu ser a materia nos primeiros instantes do Universe.

Os ions comezan como átomos de chumbo,  82 protóns e entre 122 e 126 neutróns, rodeados por unha nube de 82 electróns.  No LHC só serán acelerados un tipo deles, o isótopo (Pb-208), con 126 neutrons. Dado que os protóns e neutróns teñen aproximadamente a mesma masa, os ions que circulan polo LHC posúen arredor de 208 veces a masa dun protón.

Un átomo de chumbo convértese nun ión cando algún dos seus electróns é removido do átomo. No proceso de aceleración cara o LHC os electróns son removidos gradualmente ata deixar o feixe unicamente composto de núcleos de chumbo. O feixe de ions-Pb do LHC comeza cunha peza de Pb-208 practicamente puro de 2 centimetros de longo e 500 miligramos de masa. Esta peza quéntase a uns 500 graos Celsius para vaporizar un pequeno número de átomos. Unha corrente eléctrica é utilizada para remover os electróns de cada átomo, e os recén creados ións comezan a viaxe da súa vida.

Eventos rexistrados no detector ALICE nas prmeiras colisións con núcleos de Pb, a unha enerxia no centro de masas de 2.76 TeV por par de nucleóns.

Os ions primeiro viaxan ao través do acelerador lineal Linac3, tomando unha pequena cantidade de enerxía (4.5 MeV por nucleón) antes de que máis electróns sexan removidos. A continuación, os ions son acumulados e acelerados ata 72 MeV por nucleón no Low Energy Ion Ring, ou LEIR. Estas primeiras tres etapas do proceso – vaporización e aceleración no Linac3 e LEIR – son únicas para os ions, porque unha vez que saen do LEIR xa entran nos aceleradors que tamen reciben aos seus primos máis lixeiros, os protóns.

A pesar dos seus nomes, os dous seguintes aceleradores– o Proton Synchrotron e o Super Proton Synchrotron – tamén aceleran ions pesados. No PS os ions Pb acada os 5.9 GeV por nucleón e sufren a derradeira extracción de electróns. O SPS acelera o feixe a 177 GeV por nucleón e finalmente inxéctanse nas dous sentidos no LHC.

Co campo magnético nominal de 8.33 T nos dipolos magnéticos, eses ions terán, no caso de máxima energía, un valor de 7 TeV/protón (7 Z TeV, con Z = 82) o 2.76 TeV/nucleón (2.76 A TeV, con A = 208).

Polo tanto, a enerxía total de centro de masas na colisión será:

2 x (7 x 82) = 2 x (2.76 x 208) ≈ 1150 TeV (1.15 PeV)

Como estamos vendo, prefírese utilizar como unidade a enerxía “por nucleón,” nos que protóns e neutróns son ambos nucleóns, permitíndose así unha fácil comparación cos feixes de protóns e outros tipos de ions. No LHC os os ions de chumbo son acelerados e levados para colidir no centro de tres dos catro grandes detectores do LHC: ALICE, ATLAS e CMS, pero como xa se indicou máis arriba, o LHCb tamén entrou no programa experimental coas colisións p-Pb. Mesmo co LHC funcionando a media potencia, as primeiras colisións de ions chumbo son 13 veces máis enerxéticas que o máximo valor existente ata ese momento obtido no RHIC (Brookhaven National Laboratory).