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恆星由於演化而在質量一密度圖上移動，但保持在虛綫方框內。圖a3是方框區的放大，表示出恆星在不同演化階段其中心發生的主要熱核反應。
由於引力的控製，恆星演化的總趨勢是密度增大（在圖中嚮下移動），而質量丟失、碎裂、不穩定或爆炸等現象使其質量減小（在圖中嚮左移動）。恆星的演化必定以三種可能的冷態之一為終結：白矮星，中子星，黑洞。
質量小於sm的恆星沿a綫移動。在離開氫轉變成氦的主序段後，恆星中心的溫度和密度都上升，直至氦能夠聚合成碳。碳保持沉寂，恆星最後變成白矮星。質量更大的恆星的演化軌跡是b綫，它們中心的碳能燃燒成為鎂，並最後成為中子星。軌跡c是最為假設性的，它可能表示着質量在25m以上的恆星，在經過了到生成鐵為止的所有熱核燃燒階段後，最終成為黑洞。
恆星演化論，是天文學中，關於恆星在其生命期內演化的理論。
由於單一恆星之演化通常長達數十億年，人類不可能完整觀測，目前的理論仍有部分是推測的假說。目前天體物理學家主要利用觀測大量恆星，判斷其在生命期的不同階段，並以計算機模型模擬恆星的演變。 |
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恆星的演化開始於巨分子云。一個星係中大多數虛空的密度是每立方釐米大約0.1到1個原子，但是巨分子云的密度是每立方釐米數百萬個原子。一個巨分子云包含數十萬到數千萬個太陽質量，直徑為50到300光年。
在巨分子云環繞星係旋轉時，一些事件可能造成它的引力坍縮。 巨分子云可能互相衝撞，或者穿越旋臂的稠密部分。鄰近的超新星爆發拋出的高速物質也可能是觸發因素之一。最後，星係碰撞造成的星雲壓縮和擾動也可能形成大量恆星。
坍縮過程中的角動量守恆會造成巨分子云碎片不斷分解為更小的片斷。質量少於約50太陽質量的碎片會形成恆星。在這個過程中，氣體被釋放的勢能所加熱，而角動量守恆也會造成星雲開始産生自轉之後形成原始星。
恆星形成的初始階段幾乎完全被密集的星雲氣體和灰塵所掩蓋。通常，正在産生恆星的星源會通過在四周光亮的氣體雲上造成陰影而被觀測到，這被稱為博剋球狀體。
質量非常小（小於一個太陽質量）的原始星的溫度不會到達足夠開始核聚變的程度,它們會成為棕矮星，在數億年的時光中慢慢變涼。大部分的質量更高的原始星的中心溫度會達到一千萬開氏度，這時氫會開始聚變成氦，恆星開始自行發光。核心的核聚變會産生足夠的能量停止引力坍縮，達到一個靜態平衡。恆星從此進入一個相對穩定的階段。如果恆星附近仍有殘留巨分子云碎片，那麽這些碎片可能會在一個更小的尺度上繼續坍縮，成為行星、小行星和彗星等行星際天體。如果巨分子云碎片形成的恆星足夠接近，那麽可能形成雙星和多星係統。 |
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恆星有不同的顔色和大小。從高熱的藍色到冷卻的紅色，從0.5到20個太陽質量。恆星的亮度和顔色依賴於其表面溫度，而表面溫度則依賴於恆星的質量。大質量的恆星需要比較多的能量來抵抗對外殼的引力，燃燒氫的速度也快得多。
恆星形成之後會落在赫羅圖的主星序的特定點上。小而冷的紅矮星會緩慢地燃燒氫，可能在此序列上停留數千億年，而大而熱的超巨星會在僅僅幾百萬年之後就離開主星序。像太陽這樣的中等恆星會在此序列上停留一百億年。太陽也位於主星序上，被認為是處於中年期。在恆星燃燒完核心中的氫之後，就會離開主星序。 |
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在形成幾百萬到幾千億年之後，恆星會消耗完核心中的氫。大質量的恆星會比小質量的恆星更快消耗完核心的氫。在消耗完核心中的氫之後，核心部分的核反應會停止，而留下一個氦核。
失去了抵抗重力的核反應能量之後，恆星的外殼開始引力坍縮。核心的溫度和壓力像恆星形成過程中一樣升高，但是是在一個更高的層次上。一旦核心的溫度達到了1億開氏度，核心就開始進行氦聚變，重新通過核聚變産生能量來抵抗引力。恆星質量不足以産生氦聚變的會釋放熱能，逐漸冷卻，成為紅矮星。
積熱的核心會造成恆星大幅膨脹，達到在其主星序階段的數百倍大小，成為紅巨星。紅巨星階段會持續數百萬年，但是大部分紅巨星都是變星，不如主序星穩定。
恆星的下一步演化再一次由恆星的質量决定。 |
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低質量恆星
低質量恆星的演化終點沒有直接觀察到。宇宙的年齡被認為是一百多億年，不足以使得這些恆星耗盡核心的氫。當前的理論都是基於計算機模型。
一些恆星會在核心進行氦聚變，産生一個不穩定和不平衡的反應，以及強烈的太陽風。在這種情況下，恆星不會爆發産生行星狀星雲，而衹會耗盡燃料産生紅矮星。
但是小於0.5倍太陽質量的恆星甚至在氫耗盡之後都不會在核心産生氦反應。像比鄰星這樣的紅矮星的壽命長達數千億年，在核心的反應終止之後，紅矮星在電磁波的紅外綫和微波波段逐漸暗淡下去。
中等質量恆星
達到紅巨星階段時，0.4到3.4太陽質量的恆星的外殼會嚮外膨脹，而核心嚮內壓縮，産生將氦聚變成碳的核反應。聚變會重新産生能量，暫時緩解恆星的死亡過程。對於太陽大小的恆星，此過程大約持續十億年。
氦燃燒對溫度極其敏感，造成很大的不穩定。巨大的波動會使得外殼獲得足夠的動能脫離恆星，成為行星狀星雲。行星狀星雲中心留下的核心會逐漸冷卻，成為小而致密的白矮星，通常具有0.6倍太陽質量，但是衹有一個地球大小。
在重力和電子互斥力平衡時，白矮星是相對穩定的。在沒有能量來源的情況下，恆星在漫長的歲月中釋放出剩餘的能量，逐漸暗淡下去。最終，釋放完能量的白矮星會成為黑矮星，但是目前宇宙的年齡不足以使得這樣的星體存在。
在同時形成的雙星或者多星係統中，恆星際質量交流可能改變演化過程。因為一部分質量被其他恆星獲得，係統中質量較大的恆星的紅巨星階段演化會被加速，而質量較小的恆星會吸收一部分紅巨星的質量，在主星序停留更長時間。舉例來說，天狼星的伴星就是一顆年老的大約一個太陽質量的白矮星，但是天狼星是一顆大約2.3個太陽質量的主序星。
如果白矮星的質量超出錢德拉塞卡極限，電子互斥力會不足以抵抗引力，而會繼續坍縮下去。這會造成恆星嚮外拋出外殼，也就是超新星爆發，標記着恆星的死亡。也就是說，不會有大於1.4倍太陽質量的白矮星。
如果白矮星和另外一顆恆星組成雙星係統，那麽白矮星可能使用來自另外一顆恆星的氫進行核反應並且將周圍的物質加熱拋出，即使白矮星的質量低於1.4倍太陽質量。這樣的爆炸稱為新星。
大質量恆星
在超出5倍太陽質量的恆星的外殼膨脹成為紅超巨星之後，其核心開始被重力壓縮，溫度和密度的上升會觸發一係列聚變反應。這些聚變反應會生成越來越重的元素，産生的能量會暫時延緩恆星的坍縮。
最終，聚變逐步到達元素周期表的下層，硅開始聚合成鐵。在這之前，恆星通過這些核聚變獲得能量，但是鐵不能通過聚變釋放能量，相反，鐵聚變需要吸收能量。這會造成沒有能量來對抗重力，而核心幾乎立刻産生坍縮。
恆星演化的下一步演化機製並不明確，但是這會在幾分之一秒內造成一次劇烈的超新星爆發。和輕於鐵的元素同時被拋出的中微子形成一個衝擊波，在被拋出的物質吸收後，形成一些比鐵重的放射性元素，其中最重的是鈾。沒有超新星爆發的話，比鐵重的元素不會存在。
中微子衝擊波繼續將被拋出的物質推出。被拋出的物質可能和彗星帶碰撞，可能形成新的恆星、行星和衛星，或者成為各種各樣的天體。
現代科學尚未明確超新星爆發的機製，以及恆星殘骸的成分，但是已知有兩種可能的演化終點：中子星和黑洞。
中子星
在一些超新星之中，電子被壓入原子核，和質子結合成為中子。使得原子核互相排斥的電磁力消失之後，恆星成為一團密集的中子。這樣的恆星被稱為中子星。
質量要求:塌縮的內核質量超過1.44倍太陽的質量,小於3.2倍太陽的質量。
中子星的大小不超過一個大城市，但是極其緻密。由於大部分角動量殘留在恆星中，它們的自轉會極快，有些甚至達到每秒鐘600轉。恆星的輻射會被磁場局限在磁軸附近，而隨恆星旋轉。如果磁軸在自轉中會對準地球，那麽在地球上每次自轉過程中都可能觀測到一次恆星的輻射。這樣的中子星被稱為脈衝星，是最早被發現的中子星。
黑洞
被廣泛承認的是並非所有超新星都會形成中子星。如果恆星質量足夠大，那麽連中子也會被壓碎，直到恆星的半徑小於史瓦西半徑，成為一個黑洞。
質量要求:塌縮的內核質量超過3.2倍太陽的質量。
斯帝芬·霍金（stephen hawking）結合廣義相對論和量子力學預測了黑洞的存在。在多年來天文學家的努力下，成功觀測到了行星不明引力場的影響而改變軌跡，從而可以推論黑洞的存在。根據傳統的廣義相對論，沒有任何物質或者信息可以從黑洞中逃出，但是量子力學允許一些例外（在特定條件下物質發生"tunnel"現象，物質能夠通過一條假想的隧道穿過障礙）。黑洞的存在被絶大部分天文學家支持。
但是仍有一些問題尚待解决。當前的超新星爆發理論尚未完善，不能說明是否恆星可能壓縮成為黑洞而不經過超新星爆發，是否有超新星形成的黑洞，以及恆星的初始質量和演化終點的關係。 |
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