Se dice que un volumen de fluido, que puede ser un gas o un líquido, está en equilibrio hidrostático cuando la fuerza hacia abajo ejercida por la gravedad se equilibra con una fuerza hacia arriba ejercida por la presión del fluido. Por ejemplo, la atmósfera de la Tierra es empujada hacia abajo por la gravedad, pero hacia la superficie el aire es comprimido por el peso de todo el aire de arriba, por lo que la densidad del aire aumenta desde la parte superior de la atmósfera hasta la superficie de la Tierra. Esta diferencia de densidad significa que la presión del aire disminuye con la altitud, de modo que la presión hacia arriba desde abajo es mayor que la presión hacia abajo desde arriba y esta fuerza neta hacia arriba equilibra la fuerza descendente de la gravedad, manteniendo la atmósfera a una altura más o menos constante. Cuando un volumen de fluido no está en equilibrio hidrostático, debe contraerse si la fuerza gravitacional excede la presión, o expandirse si la presión interna es mayor.
Este concepto se puede expresar como la ecuación de equilibrio hidrostático. Por lo general, se indica como dp / dz = −gρ y se aplica a una capa de fluido dentro de un volumen mayor en equilibrio hidrostático, donde dp es el cambio de presión dentro de la capa, dz es el espesor de la capa, g es la aceleración debida a la gravedad y ρ es la densidad del fluido. La ecuación se puede utilizar para calcular, por ejemplo, la presión dentro de una atmósfera planetaria a una altura determinada sobre la superficie.
Un volumen de gas en el espacio, como una gran nube de hidrógeno, se contraerá inicialmente debido a la gravedad, y su presión aumentará hacia el centro. La contracción continuará hasta que haya una fuerza hacia afuera igual a la fuerza gravitacional hacia adentro. Este es normalmente el punto en el que la presión en el centro es tan grande que los núcleos de hidrógeno se fusionan para producir helio en un proceso llamado fusión nuclear que libera enormes cantidades de energía y da lugar a una estrella. El calor resultante aumenta la presión del gas, produciendo una fuerza hacia afuera para equilibrar la fuerza gravitacional hacia adentro, de modo que la estrella estará en equilibrio hidrostático. En el caso de que la gravedad aumente, quizás debido a que más gas caiga dentro de la estrella, la densidad y la temperatura del gas también aumentarán, proporcionando más presión hacia afuera y manteniendo el equilibrio.
Las estrellas permanecen en equilibrio hidrostático durante largos períodos, típicamente varios miles de millones de años, pero eventualmente se quedarán sin hidrógeno y comenzarán a fusionar elementos progresivamente más pesados. Estos cambios ponen temporalmente a la estrella fuera de equilibrio, provocando expansión o contracción hasta que se establece un nuevo equilibrio. El hierro no se puede fusionar en elementos más pesados, ya que esto requeriría más energía de la que produciría el proceso, por lo que cuando todo el combustible nuclear de la estrella finalmente se haya transformado en hierro, no se puede producir más fusión y la estrella colapsa. Esto podría dejar un núcleo de hierro sólido, una estrella de neutrones o un agujero negro, dependiendo de la masa de la estrella. En el caso de un agujero negro, ningún proceso físico conocido puede generar suficiente presión interna para detener el colapso gravitacional, por lo que no se puede lograr el equilibrio hidrostático y se piensa que la estrella se contrae hasta un punto de densidad infinita conocido como singularidad.