Un sistema estelar binario es un sistema estelar con dos estrellas orbitando una alrededor de la otra. Los sistemas estelares múltiples, como las trinarias, etc., también se clasifican normalmente con el mismo término. Se han clasificado sistemas estelares con hasta siete cuerpos en órbita mutua.
Se cree que los sistemas estelares binarios son bastante comunes en el universo y, de hecho, pueden ser la mayoría. Esto se debe a que la nube de polvo que se colapsa para formar estrellas a menudo tiene más de un centro de gravedad. Si se trata de pequeños cúmulos, forman planetas o enanas marrones, si son grandes forman estrellas. Se dice que las estrellas binarias son estrellas compañeras entre sí.
Los sistemas estelares binarios son muy importantes en astronomía, porque el mapeo de sus órbitas mutuas permite estimar su masa. La estimación de la masa es útil para contrastarla con la temperatura y la luminosidad aparente, ayudándonos a determinar la luminosidad absoluta y la distancia. Los binarios eclipsantes, donde las estrellas de un sistema binario se eclipsan entre sí periódicamente desde nuestro punto de vista, son especialmente útiles. La forma en que se eclipsan mutuamente se puede utilizar para estimar su tamaño, densidad, luminosidad y distancia. Se han utilizado binarios eclipsantes para medir la distancia a otras galaxias, como la Galaxia de Andrómeda y la Galaxia del Triángulo, con un factor de error de menos del 5%.
El sistema estelar más cercano, Alpha Centauri, es un sistema estelar binario, que consta de dos estrellas del tamaño del Sol que orbitan de cerca y que a su vez están orbitadas por una enana roja. Las dos estrellas centrales tienen una órbita elíptica entre sí, acercándose a 11 AU y separándose hasta 35 AU, y hacen un ciclo completo cada 80 años. Debido a la dinámica caótica de tal sistema, no existe una verdadera «zona habitable» donde las temperaturas de la superficie permanezcan aproximadamente constantes. La temperatura de la superficie cambia de un año a otro.