Die meisten Sterne fallen in eine Kategorisierungsklasse, die als Hauptreihe bezeichnet wird und auch als Zwergsterne bekannt ist. In einem Standarddiagramm, in dem die Sternfarbe gegen die Helligkeit aufgetragen wird, das als Hertzsprung-Russell-Diagramm bekannt ist, bilden die Hauptreihensterne im Gegensatz zu den anderen Kategorien – Weiße Zwerge, Unterriesen, Riesen, Helle Riesen und Überriesen – eine kohärente Kurve. Obwohl sie normalerweise nicht auf der Karte enthalten sind, können Schwarze Löcher, bei denen es sich um gravitativ kollabierte Sterne handelt, als Punkte auf der Karte mit null Leuchtkraft und einer spektralen Signatur von 0° K betrachtet werden.
Der Grund, warum die Hauptreihensterne auf eine vorhersagbare Kurve fallen, liegt darin, dass ihre Leuchtkraft und spektralen Signaturen allein durch ihre Masse bestimmt werden, die zwischen 0.08 und etwa 158 Sonnenmassen liegt. Weiße Zwerge, Sterne, die ihren Kernbrennstoff erschöpft haben, haben ähnliche spektrale Signaturen wie Hauptreihensterne, aber viel weniger Leuchtkraft. Dies liegt daran, dass sie keine Elemente verschmelzen oder eine kontinuierliche Energiequelle haben – ihre Leuchtkraft und Wärme bleibt übrig. Im Laufe von Milliarden von Jahren wird erwartet, dass Weiße Zwerge abkühlen und zu Schwarzen Zwergen oder leblosen Sternhüllen werden. Es gibt jedoch noch keinen Weißen Zwerg, der dafür lange genug da ist.
Hauptreihensterne fallen in mehrere Kategorien: Braune Zwerge mit nur etwa 0.08 Sonnenmassen sind im Grunde übergroße Jupiter mit schwachen Fusionsreaktionen in ihren Kernen; rote Zwerge sind etwas heißer und energischer, mit größerer Masse; ihnen folgen gelbe Zwerge, sehr häufige Sterne, für die unsere Sonne ein Beispiel ist.
Wenn Sterne ihren gesamten Kernbrennstoff in Form von Wasserstoff verbrennen, beginnen sie, Helium zu schmelzen. Da alte Sterne beginnen, einen festen Kern aus verschmolzenem Material aufzubauen, komprimieren die starken Gravitationskräfte am Umfang des Kerns die darüber liegenden Gasschichten, beschleunigen die Fusion und erhöhen die Leuchtkraft und Größe eines Sterns. Durch diesen Entwicklungsweg werden Zwergsterne zu Riesen. Je nach Masse kollabieren sie schließlich zu Weißen Zwergen, Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Die massereicheren Sterne verursachen Supernovae, das sind riesige Energieexplosionen, die entweichen, wenn die Fusion im Sternkern aufhört und die Gasschichten beim endgültigen Kollaps heftig aneinander reiben.