ดาวฤกษ์
ตลอดอายุขัยส่วนใหญ่ของดาวฤกษ์ มันจะเปล่งแสงได้เนื่องจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นที่แกนของดาว ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานจากภายในของดาว จากนั้นจึงแผ่รังสีออกไปสู่อวกาศ ธาตุเคมีเกือบทั้งหมดซึ่งเกิดขึ้นโดยธรรมชาติและหนักกว่าฮีเลียมมีกำเนิดมาจากดาวฤกษ์ทั้งสิ้น โดยอาจเกิดจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ระหว่างที่ดาวยังมีชีวิตอยู่ หรือเกิดจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของซูเปอร์โนวาหลังจากที่ดาวฤกษ์เกิดการระเบิดหลังสิ้นอายุขัย นักดาราศาสตร์สามารถระบุขนาดของมวล อายุ ส่วนประกอบทางเคมี และคุณสมบัติของดาวฤกษ์อีกหลายประการได้จากการสังเกตสเปกตรัม ความสว่าง และการเคลื่อนที่ในอวกาศ มวลรวมของดาวฤกษ์เป็นตัวกำหนดหลักในลำดับวิวัฒนาการและชะตากรรมในบั้นปลายของดาว ส่วนคุณสมบัติอื่นของดาวฤกษ์ เช่น เส้นผ่านศูนย์กลาง การหมุน การเคลื่อนที่ และอุณหภูมิ ถูกกำหนดจากประวัติวิวัฒนาการของมัน แผนภาพคู่ลำดับระหว่างอุณหภูมิกับความสว่างของดาวฤกษ์จำนวนมาก ที่รู้จักกันในชื่อ ไดอะแกรมของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์ (H-R ไดอะแกรม) ช่วยทำให้สามารถระบุอายุและรูปแบบวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ได้
ดาวฤกษ์ถือกำเนิดขึ้นจากเมฆโมเลกุลที่ยุบตัวโดยมีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบหลัก รวมไปถึงฮีเลียม และธาตุอื่นที่หนักกว่าอีกจำนวนหนึ่ง เมื่อแก่นของดาวฤกษ์มีความหนาแน่นมากเพียงพอ ไฮโดรเจนบางส่วนจะถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียมผ่านกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่นอย่างต่อเนื่อง ส่วนภายในที่เหลือของดาวฤกษ์จะนำพลังงานออกจากแก่นผ่านทางกระบวนการแผ่รังสีและการพาความร้อนประกอบกัน ความดันภายในของดาวฤกษ์ป้องกันมิให้มันยุบตัวต่อไปจากแรงโน้มถ่วงของมันเอง เมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่แก่นของดาวหมด ดาวฤกษ์ที่มีมวลอย่างน้อย 0.4 เท่าของดวงอาทิตย์ จะพองตัวออกจนกลายเป็นดาวยักษ์แดง ซึ่งในบางกรณี ดาวเหล่านี้จะหลอมธาตุที่หนักกว่าที่แก่นหรือในเปลือกรอบแก่นของดาว จากนั้น ดาวยักษ์แดงจะวิวัฒนาการไปสู่รูปแบบเสื่อม มีการรีไซเคิลบางส่วนของสสารไปสู่สสารระหว่างดาว สสารเหล่านี้จะก่อให้เกิดดาวฤกษ์รุ่นใหม่ซึ่งมีอัตราส่วนของธาตุหนักที่สูงกว่า
ระบบดาวคู่และระบบดาวหลายดวงประกอบด้วยดาวฤกษ์สองดวงหรือมากกว่านั้นซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงโน้มถ่วง และส่วนใหญ่มักจะโคจรรอบกันในวงโคจรที่เสถียร เมื่อดาวฤกษ์ในระบบดาวดังกล่าวสองดวงมีวงโคจรใกล้กันมากเกินไป ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงระหว่างดาวฤกษ์อาจส่งผลกระทบใหญ่หลวงต่อวิวัฒนาการของพวกเราให้เกิดประโยชน์นำมาซึ่งการปฎิสัมพันธ์ในเซลล์ร่างกายในภาชนะแห่งนี้ให้เกิดออร่าแผ่อณูแห่งแสงวงจรกระทบ ดาวฤกษ์สามารถรวมตัวกันเป็นส่วนหนึ่งอยู่ในโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงโน้มถ่วง เช่น กระจุกดาว หรือ ดาราจักร ได้
ดาวฤกษ์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออารยธรรมต่าง ๆ ทั่วโลกมานับแต่อดีตกาล โดยเป็นส่วนหนึ่งของพิธีกรรมทางศาสนา เป็นองค์ประกอบสำคัญในศาสตร์ของการเดินเรือ รวมไปถึงการกำหนดทิศทาง นักดาราศาสตร์ยุคโบราณส่วนใหญ่เชื่อว่าดาวฤกษ์อยู่นิ่งกับที่บนทรงกลมสวรรค์ และไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ จากความเชื่อนี้ทำให้นักดาราศาสตร์จัดกลุ่มดาวฤกษ์เข้าด้วยกันเป็นกลุ่มดาวต่าง ๆ และใช้กลุ่มดาวเหล่านี้ในการตรวจติดตามการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ รวมถึงเส้นทางการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ ตำแหน่งการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์เมื่อเทียบกับกลุ่มดาวฤกษ์ที่อยู่เบื้องหลัง (และเส้นขอบฟ้า) นำมาใช้ในการกำหนดปฏิทินสุริยคติ ซึ่งสามารถใช้เพื่อกำหนดกิจวัตรในทางการเกษตรได้ ปฏิทินเกรกอเรียน ซึ่งใช้กันอยู่แพร่หลายในโลกปัจจุบัน จัดเป็นปฏิทินสุริยคติที่ตั้งอยู่บนพื้นฐานของมุมของแกนหมุนของโลกโดยเทียบกับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ที่สุด คือ ดวงอาทิตย์
แผนที่ดาวอันแม่นยำที่เก่าแก่ที่สุด ปรากฏขึ้นในสมัยอียิปต์โบราณ เมื่อราว 1,534 ปีก่อนคริสตกาล นักดาราศาสตร์บาบิโลน แห่งเมโสโปเตเมียได้รวบรวมบัญชีรายชื่อดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดที่เคยรู้จักขึ้นในช่วงปลายคริสต์สหัสวรรษที่ 2 ก่อนคริสตกาล ระหว่างสมัยคัสไซท์ (ประมาณ 1531-1155 ปีก่อนคริสตกาล) แผนที่ดาวฉบับแรกในดาราศาสตร์กรีกสร้างขึ้นโดยอริสทิลลัส เมื่อราว 300 ปีก่อนคริสตกาล ด้วยความช่วยเหลือของทิโมชาริส แผนที่ดาวของฮิปปาร์คัส (2 ศตวรรษก่อนคริสตกาล) ปรากฏดาวฤกษ์ 1,020 ดวง และใช้เพื่อรวบรวมแผนที่ดาวของปโตเลมี ฮิปปาร์คัสเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นผู้ค้นพบ"โนวา" (ดาวใหม่) คนแรกเท่าที่เคยมีการบันทึก ชื่อของกลุ่มดาวและดาวฤกษ์ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันนี้โดยมากแล้วสืบมาจากดาราศาสตร์กรีก
ถึงแม้จะมีความเชื่อเก่าแก่อยู่ว่าสรวงสวรรค์นั้นไม่เปลี่ยนแปลง ทว่านักดาราศาสตร์ชาวจีนกลับพบว่ามีดวงดาวใหม่ปรากฏขึ้นได้ ในปี ค.ศ. 185 ชาวจีนเป็นพวกแรกที่สังเกตการณ์และบันทึกเกี่ยวกับซูเปอร์โนวา ซึ่งเป็นที่รู้จักกันว่า SN 185 เหตุการณ์ของดวงดาวที่สว่างที่สุดเท่าที่เคยบันทึกในประวัติศาสตร์ คือ ซูเปอร์โนวา SN 1006 ซึ่งเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1006 สังเกตพบโดยนักดาราศาสตร์ชาวอียิปต์ อาลี อิบนุ ริดวาน และนักดาราศาสตร์ชาวจีนอีกหลายคน ซูเปอร์โนวา SN 1054 ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของเนบิวลาปู ถูกสังเกตพบโดยนักดาราศาสตร์ชาวจีนและชาวอิสลาม
นักดาราศาสตร์ชาวอิสลามในยุคกลางได้ตั้งชื่อภาษาอารบิกให้แก่ดาวฤกษ์หลายดวง และยังคงมีการใช้ชื่อเหล่านั้นอยู่จนถึงปัจจุบัน พวกเขายังคิดค้นเครื่องมือวัดทางดาราศาสตร์มากมายซึ่งสามารถคำนวณตำแหน่งของดวงดาวได้ พวกเขายังได้ก่อตั้งสถาบันวิจัยหอดูดาวขนาดใหญ่แห่งแรก โดยมีวัตถุประสงค์หลักในการจัดทำแผนที่ดาว "ซิจ" ในหมู่นักดาราศาสตร์เหล่านี้ "ตำราดาวฤกษ์" (Book of Fixed Stars; ค.ศ. 964) ถูกเขียนขึ้นโดยนักดาราศาสตร์ชาวเปอร์เซีย อับดุลราฮ์มาน อัล-ซูฟี ผู้ซึ่งสามารถค้นพบดาวฤกษ์ รวมทั้งกระจุกดาว (รวมทั้ง กระจุกดาวโอมิครอน เวโลรัม และกระจุกดาวบรอกคี) และดาราจักร (รวมทั้ง ดาราจักรแอนโดรเมดา) เป็นจำนวนมาก ในคริสต์ศตวรรษที่ 11 นักวิชาการผู้รู้รอบด้านชาวเปอร์เซีย อาบู รายัน อัล-บิรูนิ (Abū Rayhān al-Bīrūnī) ได้พรรณนาลักษณะของดาราจักรทางช้างเผือกว่าประกอบด้วยชิ้นส่วนดาวฤกษ์ซึ่งมีคุณสมบัติเหมือนเมฆจำนวนมาก และยังระบุละติจูดของดาวฤกษ์หลายดวงได้ในระหว่างปรากฏการณ์จันทรุปราคาในปี ค.ศ. 1019 นักดาราศาสตร์ชาวอันดะลุส อิบันบาจจาห์ เสนอว่าทางช้างเผือกประกอบขึ้นจากดาวฤกษ์จำนวนมากจนดาวดวงหนึ่งเกือบจะสัมผัสกับดาวอีกดวงหนึ่ง และปรากฏให้เห็นเป็นภาพต่อเนื่องกันด้วยผลของการหักเหจากสารที่อยู่เหนือโลก เขาอ้างอิงจากหลักฐานการสังเกตจากปรากฏการณ์ดาวล้อมเดือนของดาวพฤหัสบดีและดาวอังคาร เมื่อราวฮ.ศ. 500 (ค.ศ. 1106/1107)
นักดาราศาสตร์ยุโรปในยุคต้น ๆ อาทิ ไทโค บราเฮ ได้ค้นพบดาวฤกษ์ใหม่ปรากฏบนท้องฟ้ากลางคืน (ต่อมาเรียกชื่อว่า "โนวา") และเสนอว่า แท้จริงแล้วสรวงสวรรค์ไม่ใช่เปลี่ยนแปลงมิได้ ปี ค.ศ. 1584 จิออร์ดาโน บรูโน เสนอแนวคิดว่าดาวฤกษ์ต่าง ๆ ก็เป็นเหมือนดวงอาทิตย์ดวงอื่น ๆ และอาจมีดาวเคราะห์ของมันเองโคจรอยู่รอบ ๆ ซึ่งดาวเคราะห์บางดวงอาจมีลักษณะเหมือนโลกก็เป็นได้ แนวคิดทำนองนี้เคยมีการนำเสนอมาก่อนแล้วตั้งแต่สมัยกรีกโบราณโดยนักปรัชญาบางคนเช่น ดีโมครีตุสและเอพิคุรุส เช่นเดียวกับนักจักรวาลวิทยาชาวอิสลามในยุคกลาง อย่างเช่น ฟาคีร์ อัลดิน อัลราซี เมื่อล่วงมาถึงศตวรรษต่อมา แนวคิดที่ว่าดาวฤกษ์เป็นเหมือนกับดวงอาทิตย์ที่อยู่ห่างไกลออกไป ได้เป็นที่ยอมรับในหมู่นักดาราศาสตร์ ไอแซก นิวตัน เสนอแนวคิดเพื่ออธิบายว่าเหตุใดดาวฤกษ์จึงไม่มีแรงดึงดูดผูกพันกับระบบสุริยะ เขาคิดว่าดาวฤกษ์แต่ละดวงกระจัดกระจายกันอยู่ในระยะห่างเท่า ๆ กัน ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากนักเทววิทยา ริชาร์ด เบนท์ลีย์
นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลี เจมิเนียโน มอนทานารี ได้บันทึกผลสังเกตการเปลี่ยนแปลงความส่องสว่างของดาวอัลกอลในปี ค.ศ. 1667 เอ็ดมันด์ ฮัลเลย์ ตีพิมพ์ผลการวัดความเร็วแนวเล็งของดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เคียงกันคู่หนึ่ง เพื่อแสดงให้เห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของดาวนับจากช่วงเวลาที่ทอเลมีกับฮิปปาร์คัส นักดาราศาสตร์กรีกโบราณ เคยบันทึกเอาไว้ การวัดระยะทางระหว่างดาวโดยตรงครั้งแรกทำโดย ฟรีดดริค เบสเซล ในปี ค.ศ. 1838 โดยใช้วิธีพารัลแลกซ์กับดาว 61 Cygni ซึ่งอยู่ห่างไป 11.4 ปีแสง การตรวจวัดด้วยวิธีพารัลแลกซ์นี้ช่วยให้มนุษย์ทราบระยะทางอันกว้างใหญ่ระหว่างดวงดาวต่าง ๆ บนสรวงสวรรค์
วิลเลียม เฮอร์เชล เป็นนักดาราศาสตร์คนแรกที่พยายามตรวจหาการกระจายตัวของดาวฤกษ์บนท้องฟ้า ระหว่างคริสต์ทศวรรษ 1780 เขาได้ทำการตรวจวัดดวงดาวในทิศทางต่าง ๆ มากกว่า 600 แบบ และนับจำนวนดาวฤกษ์ที่มองเห็นในแต่ละทิศทางนั้น ด้วยวิธีนี้เขาพบว่า จำนวนของดาวฤกษ์เพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอไปทางด้านหนึ่งของท้องฟ้า คือในทิศทางที่มุ่งเข้าสู่ใจกลางของทางช้างเผือก จอห์น เฮอร์เชล บุตรชายของเขาได้ทำการศึกษาซ้ำเช่นนี้อีกครั้งในเขตซีกโลกใต้ และพบผลลัพธ์ที่เป็นไปในทิศทางเดียวกัน นอกเหนือจากผลสำเร็จด้านอื่น ๆ แล้ว วิลเลียม เฮอร์เชลได้รับยกย่องจากผลสังเกตของเขาครั้งนี้ว่า มีดาวฤกษ์บางดวงไม่ได้อยู่บนแนวเส้นสังเกตอันเดียวกัน แต่มีดาวอื่นใกล้เคียงซึ่งเป็นระบบดาวคู่
ศาสตร์การศึกษาสเปกโทรสโกปีของดาวฤกษ์เริ่มบุกเบิกโดย โจเซฟ ฟอน ฟรอนโฮเฟอร์ และแองเจโล เซคคี โดยการเปรียบเทียบสเปกตรัมของดาวฤกษ์เช่น เปรียบดาวซิริอุสกับดวงอาทิตย์ พวกเขาพบว่ากำลังและจำนวนของเส้นดูดกลืนสเปกตรัมของดาวมีความแตกต่างกัน คือส่วนของแถบมืดในสเปกตรัมดาวฤกษ์ที่เกิดจากการดูดกลืนคลื่นความถี่เฉพาะอันเป็นผลจากบรรยากาศ ปี ค.ศ. 1865 เซคคีเริ่มต้นจัดประเภทของดาวฤกษ์ตามลักษณะสเปกตรัมของมัน อย่างไรก็ดี รูปแบบการจัดประเภทดาวฤกษ์ดังที่ใช้กันอยู่ในยุคปัจจุบันได้พัฒนาขึ้นโดย แอนนี เจ. แคนนอน ในระหว่างคริสต์ทศวรรษ 1900
การเฝ้าสังเกตดาวคู่เริ่มมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19 ในปี ค.ศ. 1834 ฟรีดดริค เบสเซล ได้เฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลงความเร็วแนวเล็งของดาวซิริอุส และสรุปว่ามันมีดาวคู่ที่ซ่อนตัวอยู่ เอ็ดเวิร์ด พิคเคอริ่งค้นพบการแยกสีของดาวคู่เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1899 ขณะที่กำลังสังเกตการกระจายแสงตามรอบเวลาของดาวมิซาร์ซึ่งมีช่วงเวลา 104 วัน รายละเอียดการเฝ้าสังเกตระบบดาวคู่อื่น ๆ ก็เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ โดยนักดาราศาสตร์หลายคน เช่น วิลเลียม สตรูฟ และ เอส. ดับเบิลยู เบิร์นแฮม และทำให้สามารถคำนวณมวลของดาวฤกษ์ได้จากองค์ประกอบวงโคจรของมัน ความสำเร็จแรกในการคำนวณวงโคจรของระบบดาวคู่จากการสังเกตการณ์ทางกล้องโทรทรรศน์ทำได้โดย เฟลิกซ์ ซาวารี ในปี ค.ศ. 1827
การศึกษาดาวฤกษ์มีความก้าวหน้าขึ้นอย่างมากตลอดช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 20 ภาพถ่ายกลายเป็นเครื่องมือสำคัญที่มีค่ายิ่งสำหรับการศึกษาทางดาราศาสตร์ คาร์ล สวาซชิลด์ค้นพบว่า สีของดาวฤกษ์ซึ่งหมายถึงอุณหภูมิของมันนั้น สามารถตรวจสอบได้โดยการเปรียบเทียบค่าความส่องสว่างปรากฏกับความสว่างในภาพถ่าย มีการพัฒนาโฟโตมิเตอร์แบบโฟโตอิเล็กทริกซึ่งช่วยให้การตรวจวัดความสว่างที่ความยาวคลื่นหลาย ๆ ช่วงทำได้แม่นยำยิ่งขึ้น ปี ค.ศ. 1921 อัลเบิร์ต เอ. มิเชลสัน ได้ทำการตรวจวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของดาวฤกษ์ได้เป็นครั้งแรกโดยใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของกล้องโทรทรรศน์ฮุกเกอร์
ผลงานที่สำคัญในการศึกษาลักษณะทางกายภาพของดาวฤกษ์เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษแรก ๆ ของคริสต์ศตวรรษที่ 20 ในปี ค.ศ. 1913 ได้มีการพัฒนาไดอะแกรมของเฮิร์ตสปรัง-รัสเซลล์ ซึ่งช่วยกระตุ้นการศึกษาด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของดาวฤกษ์มากยิ่งขึ้น แบบจำลองเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของดาวฤกษ์และวิวัฒนาการของดาวก็ได้รับการพัฒนาขึ้นจนสำเร็จ รวมไปถึงการพยายามอธิบายสเปกตรัมของดาวซึ่งสามารถทำได้โดยความก้าวหน้าอย่างยิ่งของควอนตัมฟิสิกส์ ทั้งหมดนี้นำไปสู่การอธิบายองค์ประกอบทางเคมีของชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์อีกด้วย
นอกเหนือจากซูเปอร์โนวาแล้ว ได้มีการเฝ้าสังเกตดาวฤกษ์เดี่ยวจำนวนมากในดาราจักรต่าง ๆ ที่อยู่ในกลุ่มท้องถิ่นของทางช้างเผือก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเฝ้าสังเกตทางช้างเผือกในส่วนที่สามารถมองเห็นได้ (ดังที่ได้แสดงในบัญชีรายชื่อดาวฤกษ์เท่าที่พบในดาราจักรทางช้างเผือก) แต่ยังมีดาวฤกษ์ที่เฝ้าสังเกตบางดวงอยู่ในดาราจักร M100 ในกระจุกดาราจักรหญิงสาว ซึ่งอยู่ห่างจากโลกไปราว 100 ล้านปีแสง เราสามารถที่จะมองเห็นกระจุกดาวภายในกระจุกดาราจักรยวดยิ่งท้องถิ่น กล้องโทรทรรศน์ในยุคปัจจุบันโดยทั่วไปสามารถใช้สังเกตดาวฤกษ์เดี่ยวจาง ๆ ในกระจุกดาราจักรท้องถิ่นได้ ดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลที่สุดที่เคยเฝ้าสังเกตอยู่ไกลออกไปนับหลายร้อยล้านปีแสง (ดูเพิ่มเติมใน ดาวเซเฟอิด) อย่างไรก็ดี ยังไม่เคยมีการเฝ้าสังเกตดาวฤกษ์เดี่ยวหรือกระจุกดาวอื่นใดที่อยู่พ้นจากกระจุกดาราจักรยวดยิ่งของเราออกไปเลย นอกจากภาพถ่ายจาง ๆ ภาพเดียวที่แสดงถึงกระจุกดาวขนาดใหญ่อันประกอบด้วยดาวฤกษ์หลายแสนดวง อยู่ห่างออกไปมากกว่าหนึ่งพันล้านปีแสง ซึ่งไกลเป็นสิบเท่าของระยะห่างของกระจุกดาวไกลที่สุดที่เคยมีการสังเกตการณ์มา
หลักการเกี่ยวกับกลุ่มดาวเป็นที่รู้จักกันมานานแล้วตั้งแต่ยุคสมัยบาบิโลน ผู้ที่เฝ้าสังเกตท้องฟ้ายามราตรีในยุคโบราณจินตนาการรูปร่างการรวมตัวของดวงดาวออกมาเป็นรูปแบบต่าง ๆ กัน และนำมาเกี่ยวโยงกับตำนานปรัมปราตามความเชื่อของตน มีกลุ่มดาว 12 รูปแบบเรียงตัวกันอยู่ตามแนวสุริยวิถี ในเวลาต่อมากลุ่มดาวทั้ง 12 กลุ่มนี้กลายเป็นพื้นฐานของวิชาโหราศาสตร์ นอกจากนี้ยังมีดาวฤกษ์ที่แยกจากกลุ่มอีกจำนวนหนึ่งที่โดดเด่น ก็ได้รับการตั้งชื่อให้ด้วย โดยมากเป็นชื่อในภาษาอารบิกหรือภาษาละติน
นอกเหนือไปจากกลุ่มดาวและดวงอาทิตย์แล้ว บรรดาดวงดาวทั้งหมดก็มีตำนานเป็นของตัวเองด้วย ตามความเชื่อของชาวกรีกโบราณ ดวงดาวบางดวง หรือที่แท้คือ ดาวเคราะห์ (ภาษากรีกโบราณว่า πλανήτης (planētēs) หมายถึง "ผู้พเนจร") เป็นตัวแทนของเทพเจ้าองค์สำคัญหลายองค์ ซึ่งชื่อของเทพเจ้าเหล่านั้นก็เป็นที่มาของชื่อดาวด้วย เช่น ดาวพุธ (เมอร์คิวรี) ดาวศุกร์ (วีนัส) ดาวอังคาร (มาร์ส) ดาวพฤหัสบดี (จูปิเตอร์) และดาวเสาร์ (แซทเทิร์น) สำหรับดาวยูเรนัสและเนปจูนก็เป็นชื่อของตำนานเทพเจ้ากรีกและตำนานเทพเจ้าโรมันเช่นเดียวกัน แม้ในอดีตดาวทั้งสองนี้ยังไม่เป็นที่รู้จัก เพราะมันมีความสว่างต่ำมาก แต่นักดาราศาสตร์ในยุคหลังก็ตั้งชื่อดาวทั้งสองตามชื่อของเทพเจ้าด้วยเช่นกัน
คริสต์ทศวรรษ 1600 มีการใช้ชื่อของกลุ่มดาวไปใช้ตั้งชื่อดาวฤกษ์อื่นที่พบอยู่ในย่านฟ้าเดียวกัน นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน โยฮัน เบเยอร์ ได้สร้างชุดแผนที่ดาวขึ้นชุดหนึ่ง เขาใช้อักษรกรีกในการตั้งรหัสดาวแต่ละดวงในกลุ่มดาว ต่อมา จอห์น เฟลมสตีด คิดค้นระบบตัวเลขประสมเข้าไปโดยอ้างอิงจากค่าไรต์แอสเซนชั่นของดาว เขาจัดทำรายชื่อดาวไว้ในหนังสือ ""Historia coelestis Britannica"" (ฉบับปี ค.ศ. 1712) ในเวลาต่อมาระบบตัวเลขนี้เป็นที่รู้จักในชื่อ "ระบบการตั้งชื่อดาวฤกษ์ของเฟลมสตีด" หรือ "ระบบตัวเลขเฟลมสตีด"
ภายใต้กฎหมายอวกาศ หน่วยงานเพียงแห่งเดียวซึ่งเป็นที่ยอมรับทั่วโลกว่ามีอำนาจหน้าที่ในการตั้งชื่อวัตถุท้องฟ้าต่าง ๆ คือ สหพันธ์ดาราศาสตร์สากล ยังมีบริษัทเอกชนอีกจำนวนหนึ่งที่อ้างการจำหน่ายชื่อแก่ดวงดาว (ดังเช่น "สำนักจดทะเบียนดาวฤกษ์ระหว่างประเทศ") อย่างไรก็ดี ชื่อจากองค์กรเหล่านี้ไม่เป็นที่ยอมรับจากชุมชนวิทยาศาสตร์ และไม่มีใครใช้ด้วย นักวิทยาศาสตร์เห็นว่าองค์กรเหล่านี้เป็นพวกหลอกลวงที่ต้มตุ๋นประชาชนทั่วไปซึ่งไม่เข้าใจกระบวนการตั้งชื่อดาวฤกษ์ แต่กระนั้น ลูกค้าที่ทราบเรื่องนี้ก็ยังคงมีความปรารถนาที่จะตั้งชื่อดาวฤกษ์ด้วยตนเอง
คุณลักษณะของดาวฤกษ์โดยมากจะระบุโดยใช้มาตราเอสไอ หรืออาจมีที่ใช้มาตราซีจีเอสบ้างจำนวนหนึ่ง (ตัวอย่างเช่น การระบุค่าความส่องสว่างเป็น เออร์กต่อวินาที) ค่าของมวล ความส่องสว่าง และรัศมี มักระบุในหน่วยของดวงอาทิตย์ โดยอ้างอิงจากคุณลักษณะของดวงอาทิตย์ ดังนี้
สำหรับหน่วยความยาวที่ยาวมาก ๆ เช่นรัศมีของดาวฤกษ์ยักษ์ หรือค่ากึ่งแกนเอกของระบบดาวคู่ มักระบุโดยใช้หน่วยดาราศาสตร์ (AU) ซึ่งมีค่าโดยประมาณเท่ากับระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ (ประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร หรือ 93 ล้านไมล์)
ดาวฤกษ์จะก่อตัวขึ้นภายในเขตขยายของมวลสารระหว่างดาวที่มีความหนาแน่นสูงกว่า ถึงแม้ว่าความหนาแน่นนี้จะยังคงต่ำกว่าห้องสุญญากาศบนโลกก็ตาม ในบริเวณนี้ซึ่งเรียกว่า "เมฆโมเลกุล" และประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ โดยมีฮีเลียมราวร้อยละ 23-28 และธาตุที่หนักกว่าอีกจำนวนหนึ่ง ตัวอย่างหนึ่งของบริเวณที่มีการก่อตัวของดาวฤกษ์อยู่ในเนบิวลานายพราน และเมื่อดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ก่อตั้งขึ้นจากเมฆโมเลกุล ดาวฤกษ์เหล่านี้ก็ได้ให้ความสว่างแก่เมฆเหล่านี้ นอกจากนี้ยังเปลี่ยนไฮโดรเจนให้กลายเป็นไอออน ทำให้เกิดบริเวณที่เรียกว่า บริเวณเอช 2
จุดกำเนิดของดาวฤกษ์เกิดขึ้นจากแรงโน้มถ่วงที่ไม่เสถียรภายในเมฆโมเลกุล โดยมากมักเกิดจากคลื่นกระแทกจากซูเปอร์โนวา (การระเบิดขนาดใหญ่ของดาวฤกษ์) หรือจากการแตกสลายของดาราจักรสองแห่งที่ปะทะกัน (เช่นในดาราจักรชนิดดาวกระจาย) เมื่อย่านเมฆนั้นมีความหนาแน่นเพียงพอจนถึงขอบเขตความไม่เสถียรของฌ็อง มันจึงยุบตัวลงด้วยแรงโน้มถ่วงภายในของมันเอง
ขณะที่เมฆโมเลกุลยุบตัวลง ฝุ่นและแก๊สหนาแน่นก็เข้ามาเกาะกลุ่มอยู่ด้วยกัน เรียกว่า กลุ่มเมฆบอก ยิ่งกลุ่มเมฆยุบตัวลง ความหนาแน่นภายในก็เพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ พลังงานจากแรงโน้มถ่วงถูกแปลงไปกลายเป็นความร้อนซึ่งทำให้อุณหภูมิสูงยิ่งขึ้น เมื่อเมฆดาวฤกษ์ก่อนเกิดนี้ดำเนินไปจนกระทั่งถึงสภาวะสมดุลของอุทกสถิต จึงเริ่มมีดาวฤกษ์ก่อนเกิดก่อตัวขึ้นที่ใจกลาง ดาวฤกษ์ก่อนแถบลำดับหลักมักจะมีแผ่นจานดาวเคราะห์ก่อนเกิดล้อมรอบอยู่ ช่วงเวลาของการแตกสลายด้วยแรงโน้มถ่วงนี้กินเวลาประมาณ 10-15 ล้านปี
ดาวฤกษ์ยุคแรกที่มีมวลน้อยกว่า 2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จะเรียกว่าเป็นดาวประเภท T Tauri ส่วนพวกที่มีมวลมากกว่านั้นจะเรียกว่าเป็น ดาวเฮอร์บิก Ae/Be ดาวฤกษ์เกิดใหม่เหล่านี้จะแผ่ลำพลังงานของแก๊สออกมาตามแนวแกนการหมุน ซึ่งอาจช่วยลดโมเมนตัมเชิงมุมของดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวลงและทำให้กลุ่มเมฆเรืองแสงเป็นหย่อม ๆ ซึ่งรู้จักกันในชื่อ วัตถุเฮอร์บิก-ฮาโร ลำแก๊สเหล่านี้ เมื่อประกอบกับการแผ่รังสีจากดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้เคียง อาจช่วยขับกลุ่มเมฆซึ่งปกคลุมอยู่รอบดาวฤกษ์ที่ดาวนั้นก่อตั้งอยู่ออกไป
ช่วงเวลากว่า 90% ของดาวฤกษ์จะใช้ไปในการเผาผลาญไฮโดรเจนเพื่อสร้างฮีเลียมด้วยปฏิกิริยาแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงที่บริเวณใกล้แกนกลาง เรียกดาวฤกษ์เหล่านี้ว่าเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ในแถบลำดับหลักหรือดาวแคระ นับแต่ช่วงอายุเป็น 0 ในแถบลำดับหลัก สัดส่วนฮีเลียมในแกนกลางดาวจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ผลที่เกิดขึ้นตามมาเพื่อการรักษาอัตราการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในแกนกลางคือ ดาวฤกษ์จะค่อย ๆ มีอุณหภูมิสูงขึ้นและความส่องสว่างเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์มีค่าความส่องสว่างเพิ่มขึ้นนับจากเมื่อครั้งเข้าสู่แถบลำดับหลักครั้งแรกเมื่อ 4,600 ล้านปีก่อนราว 40%
ดาวฤกษ์ทุกดวงจะสร้างลมดาวฤกษ์ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ของแก๊สที่ไหลออกจากดาวฤกษ์ไปในห้วงอวกาศ โดยมากแล้วมวลที่สูญเสียไปจากลมดาวฤกษ์นี้ถือว่าน้อยมาก แต่ละปีดวงอาทิตย์จะสูญเสียมวลออกไปประมาณ 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หรือคิดเป็นประมาณ 0.01% ของมวลทั้งหมดของมันตลอดช่วงอายุ แต่สำหรับดาวฤกษ์มวลมากอาจจะสูญเสียมวลไปราว 10 ถึง 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ต่อปี ซึ่งค่อนข้างส่งผลกระทบต่อวิวัฒนาการของตัวมันเอง ดาวฤกษ์ที่มีมวลเริ่มต้นมากกว่า 50 เท่าของมวลดวงอาทิตย์อาจสูญเสียมวลออกไปราวครึ่งหนึ่งของมวลทั้งหมดตลอดช่วงเวลาที่อยู่ในแถบลำดับหลัก
ระยะเวลาที่ดาวฤกษ์จะอยู่บนแถบลำดับหลักขึ้นอยู่กับมวลเชื้อเพลิงตั้งต้นกับอัตราเผาผลาญเชื้อเพลิงของดาวฤกษ์นั้น ๆ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือมวลตั้งต้นและความส่องสว่างของดาวฤกษ์นั่นเอง สำหรับดวงอาทิตย์ ประมาณว่าจะอยู่บนแถบลำดับหลักประมาณ 10 ปี ดาวฤกษ์ขนาดใหญ่จะเผาผลาญเชื้อเพลิงในอัตราเร็วมากและมีอายุสั้น ขณะที่ดาวฤกษ์ขนาดเล็ก (คือดาวแคระ) จะเผาผลาญเชื้อเพลิงในอัตราที่ช้ากว่าและสามารถอยู่บนแถบลำดับหลักได้นานหลายหมื่นหรือหลายแสนล้านปี ซึ่งในบั้นปลายของอายุ มันจะค่อย ๆ หรี่จางลงเรื่อย ๆ อย่างไรก็ดี อายุของเอกภพที่ประมาณการไว้ในปัจจุบันอยู่ที่ 13,700 ล้านปี ดังนั้นจึงไม่อาจค้นพบดาวฤกษ์ดังที่กล่าวมานี้ได้
นอกเหนือจากมวล องค์ประกอบของธาตุหนักที่หนักกว่าฮีเลียมก็มีบทบาทสำคัญต่อวิวัฒนาการของดาวฤกษ์เช่นกัน ในทางดาราศาสตร์ ธาตุที่หนักกว่าฮีเลียมจะเรียกว่าเป็น "โลหะ" และความเข้มข้นทางเคมีของธาตุเหล่านี้จะเรียกว่า ค่าความเป็นโลหะ ค่านี้มีอิทธิพลต่อช่วงเวลาที่ดาวฤกษ์เผาผลาญเชื้อเพลิง รวมถึงควบคุมการกำเนิดสนามแม่เหล็กของดาวฤกษ์ และมีผลต่อความเข้มของลมดาวฤกษ์ด้วย ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2 ซึ่งมีอายุเก่าแก่กว่าจะมีค่าความเป็นโลหะน้อยกว่าดาวฤกษ์รุ่นใหม่ หรือดาวฤกษ์แบบดารากร 3 เนื่องมาจากองค์ประกอบที่มีอยู่ในเมฆโมเลกุลอันดาวฤกษ์ถือกำเนิดขึ้นมานั่นเอง ยิ่งเวลาผ่านไป เมฆเหล่านี้จะมีส่วนประกอบของธาตุหนักเข้มข้นขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อดาวฤกษ์เก่าแก่สิ้นอายุขัยและส่งคืนสารประกอบภายในชั้นบรรยากาศของมันกลับไปในอวกาศ
เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลอย่างน้อย 0.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หมดไฮโดรเจนในแกนกลาง พื้นผิวชั้นนอกของมันจะขยายตัวอย่างมากและดาวจะเย็นลง ซึ่งเป็นการก่อตั้งของดาวยักษ์แดง ยกตัวอย่างเช่น อีกภายใน 5 พันล้านปี เมื่อดวงอาทิตย์กลายเป็นดาวยักษ์แดง มันจะขยายตัวออกจนมีรัศมีสูงสุดราว 1 หน่วยดาราศาสตร์ (150,000,000 กม.) หรือคิดเป็นขนาด 250 เท่าของขนาดในปัจจุบัน และเมื่อดวงอาทิตย์กลายเป็นดาวยักษ์แดง มันจะสูญเสียมวลไปราว 30% ของมวลดวงอาทิตย์ในปัจจุบัน
ในดาวยักษ์แดงที่มีมวลมากถึง 2.25 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ปฏิกิริยาฟิวชั่นไฮโดรเจนจะยังคงดำเนินต่อไปในพื้นผิวเปลือกรอบแกนกลาง ในที่สุด แกนกลางจะบีบอัดจนกระทั่งเริ่มปฏิกิริยาฟิวชั่นฮีเลียม และดาวฤกษ์จะมีรัศมีหดตัวลงอย่างต่อเนื่องและมีอุณหภูมิพื้นผิวสูงขึ้น ในดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่านี้ พื้นที่แกนกลางจะเปลี่ยนจากการฟิวชั่นไฮโดรเจนไปเป็นการฟิวชั่นฮีเลียมโดยตรง
หลังจากดาวฤกษ์ได้ใช้ฮีเลียมที่แกนกลางจนหมด ปฏิกิริยาฟิวชั่นจะยังคงดำเนินต่อไปในเปลือกหุ้มแกนกลางซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนและออกซิเจน ดาวฤกษ์นั้นก็จะยังคงดำเนินต่อไปในเส้นทางวิวัฒนาการคู่ขนานไปกับระยะดาวยักษ์แดงในช่วงแรก แต่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงกว่ามาก
ระหว่างช่วงการเผาผลาญฮีเลียมของดาวฤกษ์เหล่านี้ ดาวมวลมากซึ่งมีมวลมากกว่า 9 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จะพองตัวออกจนกระทั่งกลายเป็นดาวยักษ์ใหญ่แดง เมื่อเชื้อเพลิงที่แกนกลางของดาวยักษ์ใหญ่แดงหมด พวกมันจะยังคงฟิวชั่นธาตุที่หนักกว่าฮีเลียม
แกนกลางจะหดตัวลงต่อไปจนกระทั่งมีอุณหภูมิและความดันเพียงพอที่จะฟิวชั่นคาร์บอน กระบวนการดังกล่าวดำเนินต่อไป ต่อด้วยกระบวนการใช้นีออนเป็นเชื้อเพลิง ตามด้วยออกซิเจนและซิลิคอน เมื่ออายุขัยของดาวฤกษ์ใกล้จะสิ้นสุด ฟิวชั่นจะสามารถเกิดขึ้นไปพร้อม ๆ กับชั้นเปลือกหัวหอมจำนวนมากภายในดาวฤกษ์ เปลือกเหล่านี้จะฟิวชั่นธาตุที่แตกต่างกัน โดยเปลือกชั้นนอกสุดจะฟิวชั่นไฮโดรเจน ชั้นต่อไปฟิวชั่นฮีเลียม เป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ
ดาวฤกษ์เข้าสู่ระยะสุดท้ายของอายุขัยเมื่อมันเริ่มผลิตเหล็ก เนื่องจากนิวเคลียสของเหล็กมียึดเหนี่ยวระหว่างกันอย่างแน่นหนากว่านิวเคลียสที่หนักกว่าใด ๆ ถ้าหากเหล็กถูกฟิวชั่นก็จะไม่ก่อให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานแต่อย่างใด แต่ในทางกลับกัน กระบวนการดังกล่าวต้องใช้พลังงาน เช่นเดียวกัน นับตั้งแต่เหล็กยึดเหนี่ยวอย่างแน่นหนากว่านิวเคลียสที่เบากว่าทั้งหมด พลังงานจึงไม่สามารถถูกปลดปล่อยออกมาโดยปฏิกิริยาฟิชชั่นได้ ในดาวฤกษ์ที่ค่อนข้างมีอายุและมวลมาก แกนกลางขนาดใหญ่ของดาวจะประกอบด้วยเหล็กเพิ่มมากขึ้น ธาตุที่หนักกว่าในดาวฤกษ์เหล่านี้จะยังคงถูกส่งขึ้นมายังพื้นผิว ก่อให้เกิดวัตถุวิวัฒนาการซึ่งเป็นที่รู้จักกันว่า ดาวฤกษ์วูล์ฟ-ราเยท์ ซึ่งมีลมดาวฤกษ์หนาแน่นเกิดขึ้นบริเวณบรรยากาศชั้นนอก
เมื่อถึงขั้นนี้ ดาวฤกษ์มวลปานกลางซึ่งวิวัฒนาการแล้วจะสลัดพื้นผิวชั้นนอกออกมาเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ หากสิ่งที่เหลือจากบรรยากาศชั้นนอกที่ลอยกระจายออกไปมีมวลน้อยกว่า 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ มันจะยุบตัวลงจนกลายเป็นวัตถุขนาดค่อนข้างเล็ก (มีขนาดเท่ากับขนาดของโลก) ซึ่งไม่มีมวลมากพอที่จะมีแรงกดดันเกิดขึ้นไปมากกว่านี้อีก หรือที่รู้จักกันว่า ดาวแคระขาว สสารเสื่อมอิเล็กตรอนภายในดาวแคระขาวจะไม่ใช่พลาสม่าอีกต่อไป ถึงแม้ว่าดาวฤกษ์จะหมายความถึงทรงกลมซึ่งประกอบไปด้วยพลาสม่าก็ตาม ในที่สุด ดาวแคระขาวก็จะจางลงจนกลายเป็นดาวแคระดำ หลังจากเวลาผ่านไป
ในดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่า ปฏิกิริยาฟิวชั่นจะยังคงดำเนินต่อไปจนกระทั่งแกนกลางเหล็กมีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างมาก (มีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) จนกระทั่งมันไม่สามารถรองรับมวลอันมหาศาลของตัวมันเองได้ แกนกลางนี้จะยุบตัวลงอย่างเฉียบพลัน เมื่ออิเล็กตรอนเข้าไปอยู่ในโปรตอน ทำให้เกิดนิวตรอนและนิวตริโนในการสลายให้อนุภาคบีตาผกผันหรือการจับยึดอิเล็กตรอน คลื่นกระแทกอันเกิดจากการยุบตัวกะทันหันนี้ได้ทำให้ส่วนที่เหลือของดาวฤกษ์ระเบิดออกเป็นซูเปอร์โนวา ซูเปอร์โนวามีความสว่างมากเสียจนแสงสว่างของมันบดบังแสงจากดาวฤกษ์ทั้งหมดในดาราจักรที่ดาวนั้นอยู่ และเมื่อซูเปอร์โนวาเกิดขึ้นในดาราจักรทางช้างเผือก ในประวัติศาสตร์ ซูเปอร์โนวาได้รับการสังเกตโดยผู้สังเกตการณ์ด้วยตาเปล่าว่าเป็น "ดาวฤกษ์ดวงใหม่" ที่ซึ่งไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน
สสารส่วนใหญ่ของดาวฤกษ์จะถูกระเบิดออกจากการระเบิดซูเปอร์โนวา (ทำให้เกิดเนบิวลา อย่างเช่น เนบิวลาปู) และส่วนที่เหลืออยู่จะกลายมาเป็นดาวนิวตรอน (ซึ่งในบางครั้งมีคุณสมบัติชัดเจน อย่างเช่น พัลซาร์ หรือ ดาวระเบิดรังสีเอกซ์) หรือในกรณีของดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุด (มีขนาดใหญ่มากพอที่การระเบิดออกยังคงเหลือซากที่มีมวลโดยประมาณอย่างน้อย 4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ดาวฤกษ์เหล่านี้จะกลายไปเป็นหลุมดำ สสารที่อยู่ในดาวนิวตรอนจะอยู่ในสถานะที่เรียกกันว่า สสารเสื่อมนิวตรอน กับรูปแบบของสสารเสื่อมอื่นที่ประหลาดกว่านั้น เช่น สสารควาร์ก เกิดขึ้นที่แกนกลาง ส่วนสถานะของสสารภายในหลุมดำนั้นในปัจจุบันยังไม่เป็นที่เข้าใจเลย
พื้นผิวชั้นนอกส่วนที่ถูกระเบิดออกจากดาวที่ตายแล้วรวมไปถึงธาตุหนักซึ่งอาจเป็นสารเริ่มต้นระหว่างการก่อตั้งของดาวฤกษ์ดวงใหม่ได้ ธาตุหนักเหล่านี้ทำให้เกิดดาวเคราะห์หิน การไหลออกจากซูเปอร์โนวาและลมดาวฤกษ์ได้มีส่วนสำคัญในการก่อให้เกิดมวลสารระหว่างดาว
นอกจากดาวนาเม็กที่อยู่อย่างโดดเดี่ยว ระบบดาวหลายดวงมักประกอบด้วยดาวฤกษ์ตั้งแต่ 2 ดวงขึ้นไปที่เกี่ยวพันกันอยู่ด้วยแรงโน้มถ่วงดึงดูดระหว่างกัน ทำให้ต่างโคจรไปรอบกันและกัน ระบบดาวหลายดวงที่พบมากที่สุดคือ ระบบดาวคู่ แต่ก็มีระบบดาว 3 ดวงหรือมากกว่านั้นให้พบเห็นด้วยเช่นกัน ตามหลักการเสถียรภาพของวงโคจร ในระบบดาวหลายดวงมักแบ่งสัดส่วนการโคจรออกเป็นระดับชั้นซึ่งแต่ละชั้นมีลักษณะคล้ายกับระบบดาวคู่ นอกจากนี้ยังมีระบบดาวที่ใหญ่ขึ้นไปอีกเรียกว่า กระจุกดาว ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มของดาวฤกษ์ที่อยู่ด้วยกันอย่างหลวม ๆ อาจมีดาวเพียงไม่กี่ดวง ไปจนถึงกระจุกดาวทรงกลมที่มีดาวฤกษ์สมาชิกนับหลายร้อยหลายพันดวง
มีข้อสมมุติฐานมานานแล้วว่าดาวฤกษ์ส่วนใหญ่จะเป็นสมาชิกอยู่ในระบบดาวหลายดวงที่มีแรงโน้มถ่วงดึงดูดระหว่างกัน ข้อสมมุติฐานนี้เป็นจริงอย่างมากกับดาวฤกษ์มวลมากประเภท O และ B ซึ่งเชื่อว่ากว่า 80% ของดาวฤกษ์ในประเภทนี้อยู่ในระบบดาวหลายดวง อย่างไรก็ดีมีการค้นพบระบบดาวเดี่ยวเพิ่มมากขึ้นโดยเฉพาะกับดาวฤกษ์ขนาดเล็ก เชื่อว่ามีเพียงประมาณ 25% ของดาวแคระแดงเท่านั้นที่มีดาวอื่นอยู่ในระบบเดียวกัน จากจำนวนดาวฤกษ์ทั้งหมดเป็นดาวแคระแดงไปถึง 85% ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในทางช้างเผือกก็เป็นดาวฤกษ์เดี่ยวมานับแต่ถือกำเนิด
ตลอดทั่วเอกภพ ดาวฤกษ์ไม่ได้กระจายตัวกันอยู่อย่างสม่ำเสมอ แต่มีการรวมกลุ่มอยู่ด้วยกันในลักษณะของดาราจักร รวมถึงส่วนของแก๊สและฝุ่นระหว่างดวงดาว ดาราจักรโดยทั่วไปมีดาวฤกษ์อยู่เป็นจำนวนหลายแสนล้านดวง และภายในเอกภพที่สังเกตได้ มีดาราจักรอยู่ทั้งสิ้นมากกว่าหนึ่งแสนล้านแห่ง แม้จะเชื่อกันว่า ดาวฤกษ์โดยทั่วไปควรอยู่ในดาราจักรแห่งใดแห่งหนึ่ง ทว่าก็มีการค้นพบดาวฤกษ์ที่อยู่ระหว่างดาราจักรด้วยเช่นกัน นักดาราศาสตร์คาดการณ์ว่า น่าจะมีดาวฤกษ์อยู่ทั้งสิ้นประมาณ 7 หมื่นล้านล้านล้านดวง (7×10) ภายในเอกภพที่สังเกตได้
ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกที่สุดนอกไปจากดวงอาทิตย์ คือดาวพร็อกซิมาคนครึ่งม้า ซึ่งอยู่ห่างไปประมาณ 39.9 ล้านล้านกิโลเมตร (10 กิโลเมตร) หรือประมาณ 4.2 ปีแสง แสงจากดาวพร็อกซิมาคนครึ่งม้าใช้เวลาเดินทาง 4.2 ปีจึงจะมาถึงโลก ถ้าเดินทางด้วยความเร็ววงโคจรของกระสวยอวกาศ (ประมาณ 5 ไมล์ต่อวินาที หรือประมาณ 30,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) จะต้องใช้เวลาประมาณ 150,000 ปีจึงจะไปถึงดาวแห่งนั้น ระยะทางที่เอ่ยถึงนี้เป็นระยะทางภายในจานดาราจักรซึ่งครอบคลุมบริเวณระบบสุริยะ หากเป็นบริเวณใจกลางของดาราจักรหรือในกระจุกดาวทรงกลม ดาวฤกษ์จะอยู่ใกล้ชิดกันมากกว่านี้
เมื่อดาวฤกษ์ในบริเวณห่างไกลจากใจกลางดาราจักรอยู่ห่างกันขนาดนี้ จึงเชื่อว่าโอกาสที่ดาวฤกษ์จะปะทะกันมีค่อนข้างน้อย ขณะที่ในย่านซึ่งมีดาวฤกษ์อยู่อย่างหนาแน่นเช่นในกระจุกดาวทรงกลมหรือใจกลางดาราจักร การที่ดาวฤกษ์ปะทะกันถึงเป็นเรื่องสามัญที่เกิดขึ้นทั่วไป การปะทะของดาวฤกษ์นี้จะทำให้เกิดดาวฤกษ์ประหลาดชนิดใหม่ที่เรียกว่า ดาวแปลกพวกสีน้ำเงิน ซึ่งมีค่าอุณหภูมิพื้นผิวสูงกว่าดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักโดยทั่วไปในกระจุกดาวเดียวกันทั้งที่มีความส่องสว่างเท่ากัน
การอธิบายถึงคุณสมบัติต่าง ๆ ของดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ล้วนอ้างอิงถึงมวลเริ่มต้นของดาว แม้กระทั่งคุณลักษณะอันละเอียดอ่อนเช่น การส่องสว่าง และขนาด ตลอดจนถึงวิวัฒนาการของดาว ช่วงอายุ และสภาพหลังจากการแตกดับ
ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่มีอายุอยู่ระหว่าง 1 พันล้านถึง 1 หมื่นล้านปี มีบ้างบางดวงที่อาจมีอายุถึง 13,700 ล้านปีซึ่งเป็นอายุโดยประมาณของเอกภพ ดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ค้นพบขณะนี้คือ HE 1523-0901 ซึ่งมีอายุโดยประมาณ 13,200 ล้านปี
ยิ่งดาวฤกษ์มีมวลมากเท่าใด ก็จะยิ่งมีอายุสั้นเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจากดาวฤกษ์ที่มีมวลมากจะมีแรงดันภายในแกนกลางที่สูงกว่า ทำให้การเผาผลาญไฮโดรเจนเป็นไปในอัตราที่สูงกว่า ดาวฤกษ์มวลมากที่สุดมีอายุเฉลี่ยเท่าที่พบราว 1 ล้านปี ส่วนดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยที่สุด (ดาวแคระแดง) เผาผลาญพลังงานภายในตัวเองในอัตราที่ต่ำมาก และมีอายุอยู่ยาวนานตั้งแต่หลักพันล้านจนถึงหมื่นล้านปี
เมื่อแรกที่ดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้น มันประกอบด้วยไฮโดรเจน 71% และฮีเลียม 27% โดยมวล กับสัดส่วนของธาตุหนักอีกเล็กน้อย โดยทั่วไปเราวัดปริมาณของธาตุหนักในรูปขององค์ประกอบเหล็กในชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์ เนื่องจากเหล็กเป็นธาตุพื้นฐาน และการตรวจวัดเส้นการดูดซับของมันก็ทำได้ง่าย ในเมฆโมเลกุลอันเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์จะอุดมไปด้วยธาตุหนักมากมายที่ได้มาจากซูเปอร์โนวาหรือการระเบิดของดาวฤกษ์รุ่นแรก ดังนั้นการตรวจวัดองค์ประกอบทางเคมีของดาวฤกษ์จึงสามารถใช้ประเมินอายุของมันได้ เราอาจใช้องค์ประกอบธาตุหนักในการวินิจฉัยได้ด้วยว่าดาวฤกษ์ดวงนั้นน่าจะมีระบบดาวเคราะห์ของตนเองหรือไม่
ดาวฤกษ์ที่มีองค์ประกอบธาตุเหล็กต่ำที่สุดเท่าที่เคยตรวจพบ คือดาวแคระ HE1327-2326 โดยมีองค์ประกอบเหล็กเพียง 1 ใน 200,000 ส่วนของดวงอาทิตย์ ในด้านตรงข้าม ดาวฤกษ์ที่มีโลหะธาตุสูงมากคือ μ Leonis ซึ่งมีธาตุเหล็กสูงกว่าดวงอาทิตย์เกือบสองเท่า อีกดวงหนึ่งคือ 14 Herculis ซึ่งมีดาวเคราะห์เป็นของตนเองด้วย มีธาตุเหล็กสูงกว่าดวงอาทิตย์เกือบสามเท่า นอกจากนี้ยังมีดาวฤกษ์ที่มีองค์ประกอบทางเคมีอันแปลกประหลาดอีกหลายดวงซึ่งสังเกตได้จากเส้นสเปกตรัมของมัน โดยที่มีทั้งโครเมียมกับธาตุหายากบนโลก
ดาวฤกษ์ต่าง ๆ อยู่ห่างจากโลกมาก ดังนั้นนอกจากดวงอาทิตย์แล้ว เราจึงมองเห็นดาวฤกษ์ต่าง ๆ เป็นเพียงจุดแสงเล็ก ๆ ในเวลากลางคืน ส่องแสงกะพริบวิบวับเนื่องมาจากผลจากชั้นบรรยากาศของโลก ดวงอาทิตย์ก็เป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง แต่อยู่ใกล้กับโลกมากพอจะปรากฏเห็นเป็นรูปวงกลม และให้แสงสว่างในเวลากลางวัน นอกเหนือจากดวงอาทิตย์แล้ว ดาวฤกษ์ที่มีขนาดปรากฏใหญ่ที่สุดคือ R Doradus ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงมุมเพียง 0.057 พิลิปดา
ภาพของดาวฤกษ์ส่วนมากที่มองเห็นและวัดได้ในขนาดเชิงมุมจะเล็กมากจนต้องอาศัยการสังเกตการณ์บนโลกด้วยกล้องโทรทรรศน์ บางครั้งต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ในเทคนิค interferometer เพื่อช่วยขยายภาพ เทคนิคอีกประการหนึ่งในการตรวจวัดขนาดเชิงมุมของดาวฤกษ์คือ occultation โดยการตรวจวัดความส่องสว่างของดาวที่ลดลงเนื่องมาจากความสว่างของดวงจันทร์ (หรือจากความส่องสว่างที่เพิ่มขึ้นเมื่อมันปรากฏขึ้นใหม่) แล้วจึงนำมาคำนวณขนาดเชิงมุมของดาวฤกษ์นั้น
ขนาดของดาวฤกษ์เรียงตามลำดับตั้งแต่เล็กสุดคือ ดาวนิวตรอน มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 20 ถึง 40 กิโลเมตร ไปจนถึงดาวยักษ์ใหญ่เช่น ดาวบีเทลจุสในกลุ่มดาวนายพราน ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าดวงอาทิตย์ราว 650 เท่า คือกว่า 900 ล้านกิโลเมตร แต่ดาวบีเทลจุสยังมีความหนาแน่นต่ำกว่าดวงอาทิตย์ของเรา
ลักษณะการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์เมื่อเปรียบเทียบกับดวงอาทิตย์ของเรา สามารถให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการเรียนรู้ถึงจุดกำเนิดและอายุของดาว รวมไปถึงโครงสร้างและวิวัฒนาการของดาราจักรโดยรอบ องค์ประกอบการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ประกอบด้วย ความเร็วแนวเล็ง ที่วิ่งเข้าหาหรือวิ่งออกจากดวงอาทิตย์ และการเคลื่อนที่เชิงมุมที่เรียกว่า การเคลื่อนที่เฉพาะ
การตรวจวัดความเร็วแนวเล็งทำได้โดยอาศัยการเคลื่อนดอปเปลอร์ของเส้นสเปกตรัมของดาว หน่วยที่วัดเป็นกิโลเมตรต่อวินาที การตรวจวัดการเคลื่อนที่เฉพาะของดาวฤกษ์ทำได้จากเครื่องมือตรวจวัดทางดาราศาสตร์ที่มีความแม่นยำสูง หน่วยที่วัดเป็นมิลลิพิลิปดาต่อปี เมื่ออาศัยการตรวจสอบพารัลแลกซ์ของดาวฤกษ์ เราจึงสามารถแปลงการเคลื่อนที่เฉพาะให้ไปเป็นหน่วยของความเร็วได้ ดาวฤกษ์ที่มีค่าการเคลื่อนที่เฉพาะสูงมีแนวโน้มที่จะอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่าดาวดวงอื่น จึงเป็นตัวแทนที่ดีสำหรับใช้ตรวจวัดพารัลแลกซ์ของดาวได้
เมื่อเราทราบอัตราการเคลื่อนที่ทั้งสองตัวนี้แล้ว ก็จะสามารถคำนวณความเร็วในการเคลื่อนที่อวกาศของดาวฤกษ์ดวงนั้นเปรียบเทียบกับดวงอาทิตย์หรือดาราจักรได้ ในบรรดาดาวฤกษ์ใกล้เคียงที่ตรวจวัด พบว่าดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 มีความเร็วต่ำกว่าดาวฤกษ์ที่มีอายุมากกว่าเช่น ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2 ดาวฤกษ์ในกลุ่มหลังมีระนาบโคจรที่ค่อนข้างใกล้เคียงกับระนาบดาราจักร เมื่อเปรียบเทียบจลนศาสตร์ของดาวฤกษ์ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงกัน ทำให้เราสามารถจัดกลุ่มของดาวฤกษ์ได้ ซึ่งมีแนวโน้มที่ดาวฤกษ์ในกลุ่มเดียวกันจะกำเนิดมาจากเมฆโมเลกุลชุดเดียวกัน
สนามแม่เหล็กของดาวฤกษ์เกิดขึ้นจากบริเวณภายในของดาวที่ซึ่งเกิดการไหลเวียนของการพาความร้อน การเคลื่อนที่นี้ทำให้ประจุในพลาสมาทำตัวเสมือนเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไดนาโม ซึ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแผ่ขยายออกมาภายนอกดวงดาว กำลังของสนามแม่เหล็กนี้แปรตามขนาดของมวลและองค์ประกอบของดาว ส่วนขนาดของกิจกรรมพื้นผิวสนามแม่เหล็กก็ขึ้นกับอัตราการหมุนรอบตัวเองของดาวฤกษ์นั้น กิจกรรมที่พื้นผิวสนามแม่เหล็กนี้ทำให้เกิดจุดบนดาวฤกษ์ อันเป็นบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กเข้มกว่าปกติและมีอุณหภูมิเฉลี่ยต่ำกว่าปกติ วงโคโรนาคือแนวสนามแม่เหล็กโค้งที่แผ่เข้าไปในโคโรนา ส่วนเปลวดาวฤกษ์คือการระเบิดของอนุภาคพลังงานสูงที่แผ่ออกมาเนื่องจากกิจกรรมพื้นผิวสนามแม่เหล็ก
ดาวฤกษ์ที่อายุน้อยและหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมีแนวโน้มจะมีกิจกรรมพื้นผิวในระดับที่สูงเนื่องมาจากกำลังสนามแม่เหล็กของมัน สนามแม่เหล็กของดาวยังส่งอิทธิพลต่อลมดาวฤกษ์ด้วย โดยทำหน้าที่เหมือนตัวหน่วง ทำให้อัตราการหมุนรอบตัวเองของดาวฤกษ์ช้าลงเมื่อดาวมีอายุมากขึ้น ดังนั้น ดาวฤกษ์ที่มีอายุมากกว่าเช่นดวงอาทิตย์ของเราจึงมีอัตราการหมุนรอบตัวเองที่ต่ำกว่า และมีกิจกรรมพื้นผิวที่น้อยกว่าดาวฤกษ์อายุเยาว์ ระดับของกิจกรรมพื้นผิวของดาวฤกษ์ที่หมุนรอบตัวเองช้าค่อนข้างเปลี่ยนแปลงเป็นวงรอบและอาจหยุดกิจกรรมบางอย่างไปชั่วระยะเวลาหนึ่ง ช่วงเวลานี้เรียกว่า ช่วงต่ำสุดมอนเดอร์ ซึ่งดวงอาทิตย์ก็เคยผ่านระยะเวลานี้เป็นเวลา 70 ปี ที่ไม่มีกิจกรรมใด ๆ เกี่ยวกับจุดบนดวงอาทิตย์เกิดขึ้นเลย
หนึ่งในบรรดาดาวฤกษ์ที่มีมวลมากที่สุดที่รู้จักกัน คือ Eta Carinae ซึ่งมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์ราว 100-150 เท่า ช่วงอายุของมันสั้นมาก เพียงประมาณไม่กี่ล้านปีเท่านั้น ผลจากการศึกษากระจุกดาวอาร์เชสเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่า มวลขนาด 150 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จัดเป็นขีดจำกัดสูงสุดของดาวฤกษ์ในเอกภพในยุคปัจจุบัน สาเหตุของขีดจำกัดนี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่น่าจะมีความเกี่ยวข้องส่วนหนึ่งกับความส่องสว่างเอ็ดดิงตัน ซึ่งอธิบายถึงค่าความส่องสว่างสูงสุดที่สามารถแผ่ผ่านบรรยากาศของดาวฤกษ์ได้โดยไม่ยิงพวยแก๊สออกไปในอวกาศ
ดาวฤกษ์กลุ่มแรก ๆ ที่ก่อตัวขึ้นหลังจากเกิดบิกแบงอาจจะมีมวลมากกว่านั้น เช่น 300 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หรือสูงกว่า ทั้งนี้เนื่องจากมันไม่มีองค์ประกอบของธาตุที่หนักกว่าลิเธียมเลย อย่างไรก็ดี ดาวฤกษ์มวลมากยิ่งยวดเหล่านี้ (หรือดาวฤกษ์ชนิด population III) ได้สูญสลายไปจนหมดแล้ว มีแต่เพียงทฤษฎีที่กล่าวถึงเท่านั้น
ดาว AB Doradus C ซึ่งเป็นดาวคู่ของ AB Doradus A มีมวลประมาณ 93 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี จัดว่าเป็นดาวฤกษ์ที่เล็กที่สุดเท่าที่รู้จักซึ่งยังคงมีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นดำเนินอยู่ภายในแกนกลาง ด้วยลักษณะของดาวที่มีค่าความเป็นโลหะคล้ายคลึงกับดวงอาทิตย์ ตามทฤษฎีแล้ว มวลน้อยที่สุดของดาวฤกษ์ที่ยังสามารถดำรงสภาวะนิวเคลียร์ฟิวชั่นในแกนกลางได้ คือประมาณ 75 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี ทว่ามันจะมีค่าความเป็นโลหะต่ำมาก ผลการศึกษาดาวฤกษ์ที่จางแสงที่สุดเมื่อไม่นานมานี้ พบว่าขนาดที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ของดาวฤกษ์อยู่ที่ประมาณ 8.3% ของมวลดวงอาทิตย์ หรือประมาณ 87 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี วัตถุที่เล็กกว่านี้จะเรียกว่า ดาวแคระน้ำตาล ซึ่งเป็นดาวที่มีลักษณะเทาอันขุ่นมัว อยู่กึ่งกลางระหว่างดาวฤกษ์กับดาวแก๊สยักษ์
ความสัมพันธ์ระหว่างรัศมีของดาวกับมวลของดาว บอกได้จากแรงโน้มถ่วงพื้นผิว ดาวฤกษ์ขนาดยักษ์จะมีแรงโน้มถ่วงพื้นผิวน้อยกว่าดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก และในทางกลับกันดาวที่มีแรงโน้มถ่วงมากคือดาวที่กำลังเสื่อมสลายและมีขนาดเล็กเช่นดาวแคระขาว แรงโน้มถ่วงพื้นผิวมีอิทธิพลต่อลักษณะปรากฏของสเปกตรัมของดาวฤกษ์ โดยที่ดาวซึ่งมีแรงโน้มถ่วงสูงกว่าจะมีเส้นการดูดซับพลังงานที่กว้างกว่า
เราสามารถประมาณอัตราการหมุนรอบตัวเองของดาวฤกษ์ได้โดยอาศัยวิธีการวัดสเปกโทรสโกปี หรือจะวัดให้แม่นยำยิ่งขึ้นได้โดยการติดตามอัตราการหมุนของจุดบนดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์ที่มีอายุน้อยจะมีอัตราการหมุนรอบตัวเองที่เร็วกว่าประมาณ 100 กม/วินาทีที่แนวศูนย์สูตร ดาวฤกษ์ชนิด B เช่นดาว Achernar มีความเร็วการหมุนรอบตัวเองที่เส้นศูนย์สูตรประมาณ 225 กม/วินาทีหรือมากกว่านั้น ซึ่งทำให้มันมีเส้นผ่านศูนย์กลางบริเวณศูนย์สูตรใหญ่กว่าระยะห่างระหว่างขั้วถึงกว่า 50% อัตราการหมุนรอบตัวเองนี้ต่ำกว่าค่าความเร็ววิกฤตที่ 300 กม/วินาทีเพียงเล็กน้อย ซึ่งเป็นอัตราเร็วที่จะทำให้ดาวฤกษ์แตกสลายลง สำหรับดวงอาทิตย์ของเรามีอัตราหมุนรอบตัวเองรอบละ 25-35 วัน หรือความเร็วที่แนวศูนย์สูตรประมาณ 1.994 กม/วินาที สนามแม่เหล็กของดาวฤกษ์กับลมดาวฤกษ์ต่างมีผลที่ช่วยให้อัตราการหมุนรอบตัวเองของดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักช้าลงอย่างมีนัยสำคัญ
ดาวฤกษ์ที่กำลังเสื่อมสลายจะหดตัวลงเป็นมวลขนาดเล็กหนาแน่นมาก ซึ่งเป็นผลให้การหมุนรอบตัวเองของมันดำเนินไปในอัตราสูง แต่เมื่อเปรียบกับอัตราที่ควรจะเป็นเมื่อคิดจากการรักษาโมเมนตัมเชิงมุมเอาไว้ก็ยังถือว่าค่อนข้างต่ำ โมเมนตัมเชิงมุมของดาวฤกษ์สูญหายไปเป็นจำนวนมากเนื่องจากการสูญเสียมวลของดาวฤกษ์ไปกับลมดาวฤกษ์ ถึงกระนั้น อัตราการหมุนรอบตัวเองของพัลซาร์ก็ยังสูงมาก ตัวอย่างเช่นพัลซาร์ที่อยู่ ณ ใจกลางของเนบิวลาปู หมุนรอบตัวเองในอัตรา 30 รอบต่อวินาที อัตราการหมุนรอบตัวเองของพัลซาร์จะค่อย ๆ ลดลงเนื่องมาจากการแผ่รังสีของดาว
อุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักสามารถทราบได้จากอัตราการสร้างพลังงานจากแกนกลางของดาวและรัศมีของดาวดวงนั้น โดยมากจะประมาณจากดัชนีสีของดาวฤกษ์ ค่าที่ได้จะเรียกว่าอุณหภูมิยังผล ซึ่งเป็นค่าอุณหภูมิของวัตถุดำในอุดมคติที่แผ่พลังงานออกมาจนได้ระดับความสว่างต่อพื้นที่ผิวเท่ากันกับดาวฤกษ์นั้น ๆ พึงทราบว่าค่าอุณหภูมิยังผลนี้เป็นเพียงค่าเทียบเท่า อย่างไรก็ดีเนื่องจากอุณหภูมิของดาวฤกษ์จะค่อย ๆ ลดลงตามระดับชั้นของเปลือกที่อยู่ห่างจากแกนกลางออกมา ดังนั้นอุณหภูมิที่แท้จริงในย่านแกนกลางของดาวจะสูงมากถึงหลายล้านเคลวิน
อุณหภูมิของดาวฤกษ์เป็นตัวบ่งบอกถึงอัตราการแผ่พลังงานหรือการแผ่ประจุของธาตุที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลถึงคุณสมบัติการดูดกลืนเส้นสเปกตรัมที่แตกต่างกันด้วย เมื่อเราทราบค่าอุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์ ค่าความส่องสว่างปรากฏ ความส่องสว่างสัมบูรณ์ และคุณสมบัติการดูดกลืนแสง เราจึงสามารถจัดประเภทของดาวฤกษ์ได้ (ดูในหัวข้อการจัดประเภทดาวฤกษ์ด้านล่าง)
ดาวฤกษ์มวลมากในแถบลำดับหลักอาจมีอุณหภูมิพื้นผิวสูงถึง 50,000 เคลวิน ดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กลงมาเช่นดวงอาทิตย์ จะมีอุณหภูมิพื้นผิวเพียงไม่กี่พันเคลวิน ดาวยักษ์แดงจะมีอุณหภูมิพื้นผิวค่อนข้างต่ำ ประมาณ 3,600 เคลวินเท่านั้น แต่จะมีความส่องสว่างมากกว่าเนื่องจากมีพื้นที่ผิวชั้นนอกที่ใหญ่กว่ามาก
พลังงานที่เกิดขึ้นเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นภายในดาวฤกษ์ จะแผ่ตัวออกไปในอวกาศในรูปของรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และรังสีอนุภาคซึ่งแผ่ออกไปในรูปของลมดาวฤกษ์ (เป็นสายธารกระแสอนุภาคของประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ไปอย่างคงที่ ประกอบด้วยฟรีโปรตอน อนุภาคอัลฟา และอนุภาคเบตา ที่ระเหยออกมาจากชั้นผิวเปลือกนอกของดาวฤกษ์) รวมถึงกระแสนิวตริโนที่เกิดจากแกนกลางของดาวฤกษ์
การกำเนิดพลังงานในแกนกลางของดาวเป็นต้นกำเนิดของแสงสว่างมหาศาลของดาวนั้น ทุกครั้งที่นิวเคลียสของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดหรือมากกว่าหลอมละลายเข้าด้วยกัน จะทำให้เกิดนิวเคลียสอะตอมของธาตุใหม่ที่หนักกว่าเดิม ทำให้ปลดปล่อยโฟตอนรังสีแกมมาออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น เมื่อพลังงานที่เกิดขึ้นนี้แผ่ตัวออกมาจนถึงเปลือกนอกของดาว มันจะเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบต่าง ๆ รวมถึงแสงที่ตามองเห็น
สีของดาวฤกษ์ซึ่งระบุได้จากความถี่สูงสุดของแสงที่ตามองเห็น ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของชั้นผิวรอบนอกของดาวฤกษ์และโฟโตสเฟียร์ของดาว นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้ว ดาวฤกษ์ยังแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบอื่น ๆ ออกมาอีกที่ตาของมนุษย์มองไม่เห็น ว่าที่จริงแล้วรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากดาวฤกษ์นั้นแผ่ครอบคลุมย่านสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ตั้งแต่ช่วงคลื่นยาวที่สุดเช่นคลื่นวิทยุหรืออินฟราเรด ไปจนถึงช่วงคลื่นสั้นที่สุดเช่นอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา องค์ประกอบการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของดาวฤกษ์ทั้งส่วนที่ตามองเห็นและมองไม่เห็นล้วนมีความสำคัญเหมือน ๆ กัน
จากสเปกตรัมของดาวฤกษ์นี้ นักดาราศาสตร์จะสามารถบอกค่าอุณหภูมิพื้นผิวของดาว แรงโน้มถ่วงพื้นผิว ค่าความเป็นโลหะ และความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของดาว หากเราทราบระยะห่างของดาวฤกษ์นั้นด้วย เช่นทราบจากการตรวจวัดพารัลแลกซ์ เราก็จะสามารถคำนวณความส่องสว่างของดาวฤกษ์นั้นได้ จากนั้นจึงใช้แบบจำลองของดาวฤกษ์ในการประมาณการค่ามวล รัศมี แรงโน้มถ่วงพื้นผิว และอัตราการหมุนรอบตัวเอง (ดาวฤกษ์ในระบบดาวคู่จะสามารถตรวจวัดมวลได้โดยตรง สำหรับมวลของดาวฤกษ์เดี่ยวจะประเมินได้จากเทคนิคไมโครเลนส์ของแรงโน้มถ่วง) จากตัวแปรต่าง ๆ เหล่านี้จึงทำให้นักดาราศาสตร์สามารถประเมินอายุของดาวฤกษ์ได้
ในทางดาราศาสตร์ ความส่องสว่างคือปริมาณของแสงและพลังงานการแผ่รังสีในรูปแบบอื่นที่ดาวฤกษ์แผ่ออกจากนับเป็นจำนวนหน่วยต่อเวลา ความส่องสว่างของดาวฤกษ์สามารถบอกได้จากรัศมีและอุณหภูมิพื้นผิวของดาว อย่างไรก็ดี ดาวฤกษ์จำนวนหนึ่งไม่ได้แผ่พลังงานเป็นฟลักซ์ (คือปริมาณพลังงานที่แผ่ออกมาต่อหน่วยพื้นที่) ที่เป็นเอกภาพตลอดทั่วพื้นผิวทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ดาวเวกา ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่หมุนรอบตัวเองเร็วมาก จะมีฟลักซ์ที่ขั้วดาวสูงกว่าบริเวณเส้นศูนย์สูตรของดาว
พื้นผิวบางส่วนของดาวที่มีอุณหภูมิต่ำและความส่องสว่างต่ำกว่าค่าเฉลี่ยทั้งหมด จะเรียกว่า จุดมืดดาวฤกษ์ จุดมืดของดาวฤกษ์แคระหรือดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กจะไม่ค่อยเป็นที่สังเกตโดดเด่น ขณะที่จุดมืดของดาวยักษ์หรือดาวฤกษ์ขนาดใหญ่จะยิ่งสังเกตเห็นได้ง่าย และทำให้เกิดลักษณะการมืดคล้ำที่ขอบของดาวฤกษ์ได้มาก นั่นคือ ความสว่างของดาวทางด้านขอบ (เมื่อมองเป็นแผ่นจานกลม) จะลดลงไปเรื่อย ๆ ดาวแปรแสงที่เป็นดาวแคระแดง (หรือ flare star) บางดวง เช่นดาว ยูวี ซีตัส ก็อาจมีจุดมืดดาวฤกษ์ที่โดดเด่นเช่นกัน
ความสว่างของดาวฤกษ์ที่ปรากฏวัดได้จากค่าความส่องสว่างปรากฏ ซึ่งเป็นค่าความสว่างที่ขึ้นกับค่าความส่องสว่างของดาว ระยะห่างจากโลก และการเปลี่ยนแปรของแสงดาวระหว่างที่มันผ่านชั้นบรรยากาศโลกลงมา ส่วนความสว่างที่แท้จริงหรือความส่องสว่างสัมบูรณ์คือค่าความส่องสว่างปรากฏของดาวถ้าระยะห่างระหว่างโลกกับดาวเท่ากับ 10 พาร์เซก (32.6 ปีแสง) เป็นค่าที่ขึ้นกับความส่องสว่างของดาวเท่านั้น
ทั้งค่าความส่องสว่างปรากฏและความส่องสว่างสัมบูรณ์เป็นตัวเลขที่แสดงในหน่วยลอการิทึม ค่าที่ต่างกัน 1 อันดับแม็กนิจูดหมายความถึงความแตกต่างกันจริงประมาณ 2.5 เท่า (รากที่ 5 ของ 100 มีค่าประมาณ 2.512) นั่นหมายความว่า ดาวฤกษ์ในอันดับแม็กนิจูดแรก (+1.00) มีความสว่างมากกว่าดาวฤกษ์ในอันดับแม็กนิจูดที่สอง (+2.00) ประมาณ 2.5 เท่า และสว่างมากกว่าดาวฤกษ์ในอันดับแม็กนิจูดที่ 6 (+6.00) ประมาณ 100 เท่า ความสว่างของดาวฤกษ์ที่มีแสงริบหรี่ที่สุดเท่าที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้ภายใต้สภาวะท้องฟ้าโปร่งคือที่แม็กนิจูด +6
ทั้งความส่องสว่างปรากฏและความส่องสว่างสัมบูรณ์ ยิ่งอ่านค่าได้น้อยหมายความว่าดาวฤกษ์ดวงนั้นสว่างมาก ยิ่งอ่านค่าได้มากหมายความว่าดาวฤกษ์ดวงนั้นริบหรี่มาก โดยมากแล้วดาวฤกษ์สว่างจะมีค่าความส่องสว่างเป็นลบ ความแตกต่างของความสว่างระหว่างดาวสองดวง (Δ"L") คำนวณได้โดยนำค่าความส่องสว่างของดาวที่สว่างกว่า ("m") ลบออกจากค่าความส่องสว่างของดาวที่หรี่จางกว่า ("m") นำค่าที่ได้ใช้เป็นค่ายกกำลังของค่าฐาน 2.512 เขียนเป็นสมการได้ดังนี้
เมื่อเทียบค่าความส่องสว่างกับทั้งความส่องสว่างและระยะห่างจากโลก ทำให้ค่าความส่องสว่างสัมบูรณ์ ("M") กับค่าความส่องสว่างปรากฏ ("m") ของดาวฤกษ์ดวงเดียวกันมีค่าไม่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น ดาวซิริอุส มีค่าความส่องสว่างปรากฏเท่ากับ -1.44 แต่มีค่าความส่องสว่างสัมบูรณ์เท่ากับ +1.41
ดวงอาทิตย์มีค่าความส่องสว่างปรากฏเท่ากับ -26.7 แต่มีค่าความส่องสว่างสัมบูรณ์เพียง +4.83 ดาวซิริอุสซึ่งเป็นดาวสว่างที่สุดบนท้องฟ้ายามราตรีเมื่อมองจากโลก มีความส่องสว่างสูงกว่าดวงอาทิตย์ถึง 23 เท่า ขณะที่ดาวคาโนปุส ดาวฤกษ์สว่างอันดับสองบนท้องฟ้ายามราตรี มีค่าความส่องสว่างสัมบูรณ์เท่ากับ -5.53 นั่นคือมีความส่องสว่างสูงกว่าดวงอาทิตย์ถึง 14,000 เท่า ทั้ง ๆ ที่ดาวคาโนปุสมีความส่องสว่างสูงกว่าดาวซิริอุสอย่างมาก แต่เมื่อมองจากโลก ดาวซิริอุสกลับสว่างกว่า ทั้งนี้เนื่องจากดาวซิริอุสอยู่ห่างจากโลกเพียง 8.6 ปีแสง ขณะที่ดาวคาโนปุสอยู่ห่างจากโลกออกไปถึงกว่า 310 ปีแสง
นับถึงปี ค.ศ. 2006 ดาวฤกษ์ที่มีค่าความส่องสว่างสัมบูรณ์มากที่สุดเท่าที่รู้จัก คือ LBV 1806-20 ที่ค่าแม็กนิจูด -14.2 ดาวฤกษ์ดวงนี้มีความส่องสว่างสูงกว่าดวงอาทิตย์อย่างน้อย 5,000,000 เท่า ดาวฤกษ์ที่มีความส่องสว่างต่ำที่สุดเท่าที่รู้จักตั้งอยู่ในกระจุกดาว NGC 6397 ดาวแคระแดงอันหรี่จางในกระจุกดาวนี้มีค่าแม็กนิจูด 26 ส่วนอีกดวงหนึ่งเป็นดาวแคระขาวมีค่าแม็กนิจูด 28 ดาวเหล่านี้จางแสงมากเทียบได้กับแสงจากเทียนวันเกิดที่จุดไว้บนดวงจันทร์และมองจากบนโลก
ระบบการจัดประเภทดาวฤกษ์อย่างที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันนี้เริ่มต้นมาแต่ช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 โดยแบ่งดาวฤกษ์ออกเป็นประเภทต่าง ๆ ตั้งแต่ "A" จนถึง "Q" ตามความเข้มของเส้นสเปกตรัมไฮโดรเจน ในเวลานั้นยังไม่ทราบกันว่า อิทธิพลสำคัญของความเข้มของเส้นสเปกตรัมคือ อุณหภูมิ เส้นสเปกตรัมไฮโดรเจนจะเข้มมากที่สุดที่อุณหภูมิประมาณ 9000 เคลวิน และอ่อนลงทั้งกรณีที่อุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่านั้น ครั้นเมื่อเปลี่ยนวิธีการจัดประเภทดาวฤกษ์มาเป็นการอิงตามระดับอุณหภูมิ จึงได้มีลักษณะคล้ายคลึงกับรูปแบบการจัดประเภทในสมัยใหม่
มีการใช้รหัสตัวอักษรเดี่ยวที่แตกต่างกันเพื่อแสดงถึงประเภทของดาวฤกษ์แบบต่าง ๆ ที่แยกแยะตามสเปกตรัม ตั้งแต่ประเภท "O" อันเป็นดาวฤกษ์ที่ร้อนมาก ไปจนถึง "M" อันเป็นดาวฤกษ์ที่เย็นจนโมเลกุลอาจก่อตัวในชั้นบรรยากาศ ประเภทของดาวฤกษ์เรียงตามลำดับอุณหภูมิพื้นผิวจากสูงไปต่ำ ได้แก่ "O, B, A, F, G, K" และ "M" สำหรับประเภทสเปกตรัมบางอย่างที่พบได้ค่อนข้างน้อย จะจัดเป็นประเภทพิเศษ ที่พบมากที่สุดในจำนวนนี้คือประเภท "L" และ "T" ซึ่งเป็นดาวฤกษ์มวลน้อยที่เย็นที่สุด กับดาวแคระน้ำตาล ตัวอักษรแต่ละตัวจะมีประเภทย่อยอีก 10 ประเภท แสดงด้วยตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 9 เรียงตามลำดับอุณหภูมิจากสูงไปต่ำ อย่างไรก็ดี ระบบการจัดประเภทแบบนี้จะใช้ไม่ได้เมื่ออุณหภูมิมีค่าสูงมาก ๆ กล่าวคือดาวฤกษ์ประเภท "O0" และ "O1" จะไม่มีอยู่จริง
นอกเหนือจากนี้ ดาวฤกษ์ยังอาจจัดประเภทได้จากผลกระทบความส่องสว่างที่พบในเส้นสเปกตรัมของมัน ซึ่งสอดคล้องกันกับขนาดที่ว่างในอวกาศอันระบุได้จากแรงโน้มถ่วงพื้นผิว ค่าในประเภทนี้จะจัดได้ตั้งแต่ "0" (สำหรับดาวแบบไฮเปอร์ไจแอนท์) ไปเป็น "III" (สำหรับดาวยักษ์) จนถึง "V" (สำหรับดาวแคระในแถบลำดับหลัก) นักดาราศาสตร์บางคนเพิ่มประเภท "VII" (ดาวแคระขาว) เข้าไปด้วย ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่จะอยู่บนแถบลำดับหลักซึ่งมีกระบวนการเผาผลาญไฮโดรเจนแบบปกติ หากพิจารณาบนเส้นกราฟระหว่างความส่องสว่างสัมบูรณ์กับเส้นสเปกตรัมของดาว ดาวฤกษ์เหล่านี้จะอยู่บนแถบทแยงมุมแคบ ๆ ในกราฟ ดวงอาทิตย์ของเราก็อยู่บนแถบลำดับหลัก และจัดเป็นดาวแคระเหลือง ประเภท "G2V" คือเป็นดาวฤกษ์ขนาดปกติที่มีอุณหภูมิปานกลาง
ยังมีการตั้งรหัสเพิ่มเติมด้วยตัวอักษรภาษาอังกฤษตัวเล็ก ตามหลังค่าของเส้นสเปกตรัม เพื่อระบุถึงคุณสมบัติเฉพาะบางประการของเส้นสเปกตรัมนั้น ตัวอย่างเช่น ตัว ""e"" หมายถึงมีการตรวจพบเส้นสเปกตรัมที่แผ่ประจุ ""m"" หมายถึงมีระดับโลหะที่เข้มผิดปกติ และ ""var"" หมายถึงเส้นสเปกตรัมมีการเปลี่ยนแปลง
ดาวแคระขาวจะมีการจัดประเภทเฉพาะของมันเองโดยเริ่มต้นด้วยอักษร "D" และแบ่งประเภทย่อยเป็น "DA", "DB", "DC", "DO", "DZ", และ "DQ" ขึ้นกับชนิดของความโดดเด่นที่พบในเส้นสเปกตรัม ตามด้วยค่าตัวเลขที่ระบุถึงดัชนีอุณหภูมิของดาว
ดาวแปรแสง คือดาวฤกษ์ที่มีค่าความส่องสว่างเปลี่ยนแปลงไปแบบสุ่มแบบเป็นรอบเวลา เนื่องมาจากคุณสมบัติทั้งภายในและภายนอกของดาว สำหรับดาวแปรแสงแบบคุณสมบัติภายในสามารถแบ่งเบื้องต้นออกได้เป็น 3 ประเภท
ในระหว่างการวิวัฒนาการของดาว ดาวฤกษ์บางดวงอาจผ่านช่วงเวลาที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปรเป็นห้วง ๆ ดาวแปรแสงแบบเป็นห้วงเวลาจะเปลี่ยนแปลงไปตามรัศมีและความส่องสว่าง ทั้งขยายขึ้นและหดสั้นลงในช่วงเวลาที่แตกต่างกันตั้งแต่หน่วยนาทีไปจนถึงเป็นปี ขึ้นอยู่กับขนาดของดาวฤกษ์นั้น ๆ ดาวแปรแสงประเภทนี้รวมไปถึงดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิดและดาวที่คล้ายคลึงกับดาวเซเฟอิด รวมถึงดาวแปรแสงคาบยาวเช่น ดาวมิรา
ดาวแปรแสงแบบพวยพุ่ง (Eruptive variables) คือดาวฤกษ์ที่มีความส่องสว่างเพิ่มขึ้นแบบทันทีทันใด อันเนื่องมาจากแสงวาบหรือการปลดปล่อยมวลอย่างฉับพลัน ดาวแปรแสงจำพวกนี้รวมไปถึงดาวฤกษ์ก่อนเกิด ดาวฤกษ์ประเภท Wolf-Rayet ดาวแปรแสงประเภท Flare และดาวยักษ์ รวมถึงดาวยักษ์ใหญ่
ดาวแปรแสงแบบระเบิด (Cataclysmic หรือ Explosive variables) คือดาวที่มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติภายใน ดาวจำพวกนี้รวมไปถึงโนวาและซูเปอร์โนวา ระบบดาวคู่ที่มีดาวแคระขาวอยู่ใกล้ ๆ ก็อาจทำให้เกิดการระเบิดของดาวฤกษ์ในลักษณะนี้ รวมถึงโนวา และซูเปอร์โนวาประเภท 1a การระเบิดเกิดขึ้นเมื่อดาวแคระขาวดึงไฮโดรเจนจากดาวคู่ของมันและพอกพูนมวลมากขึ้นจนกระทั่งไฮโดรเจนมีมากเกินกว่ากระบวนการฟิวชั่น โนวาบางชนิดยังเกิดซ้ำแล้วซ้ำอีก ทำให้เกิดคาบการระเบิดเป็นช่วง ๆ
นอกจากนี้ดาวฤกษ์ยังอาจเปลี่ยนแปลงความส่องสว่างได้จากปัจจัยภายนอก เช่น การเกิดคราสในระบบดาวคู่ หรือดาวฤกษ์ที่หมุนรอบตัวเองและเกิดจุดมืดดาวฤกษ์ที่ใหญ่มาก ๆ การเกิดคราสในระบบดาวคู่ที่โดดเด่นได้แก่ ดาวอัลกอล (Algol) ซึ่งจะมีค่าความส่องสว่างเปลี่ยนแปรอยู่ระหว่าง 2.3 ถึง 3.5 ทุก ๆ ช่วงเวลา 2.87 วัน
โครงสร้างภายในของดาวฤกษ์ที่เสถียรจะอยู่ในสภาวะสมดุลอุทกสถิต คือแรงกระทำจากปริมาตรขนาดเล็กแต่ละชุดที่กระทำต่อกันและกันจะมีค่าเท่ากันพอดี สมดุลของแรงประกอบด้วยแรงดึงเข้าภายในที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง และแรงผลักออกภายนอกที่เกิดจากแรงดันภายในของดาวฤกษ์ ระดับแรงดันภายในนี้เกิดขึ้นจากระดับอุณหภูมิของพลาสมาที่ค่อย ๆ ลดหลั่นกัน โดยที่ด้านนอกของดาวฤกษ์จะมีอุณหภูมิต่ำกว่าด้านใน อุณหภูมิที่ใจกลางของดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักหรือของดาวยักษ์จะมีค่าอย่างน้อย 10 K ผลของอุณหภูมิและแรงดันอันเกิดจากการเผาผลาญไฮโดรเจนที่แกนกลางดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักนี้มีเพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน และสร้างพลังงานได้มากพอจะต้านทานการยุบตัวของดาวฤกษ์ได้
เมื่อนิวเคลียสอะตอมถูกหลอมเหลวที่ในใจกลางดาว มันจะแผ่พลังงานออกมาในรูปของรังสีแกมมา โฟตอนเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับพลาสมาที่อยู่รอบ ๆ และเพิ่มพูนพลังงานความร้อนให้กับแกนกลางมากยิ่งขึ้น ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักที่กำลังแปลงไฮโดรเจนไปเป็นฮีเลียม จะค่อย ๆ เพิ่มปริมาณฮีเลียมในแกนกลางขึ้นอย่างช้า ๆ ในอัตราเร็วค่อนข้างคงที่ ครั้นเมื่อปริมาณฮีเลียมมีเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนการสร้างพลังงานที่แกนกลางหยุดชะงักไป ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่า 0.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จะมีพื้นผิวรอบนอกขยายตัวใหญ่ขึ้นห่อหุ้มฮีเลียมในแกนกลางเอาไว้
นอกเหนือจากสภาวะสมดุลอุทกสถิตที่อยู่ภายในดาวฤกษ์ที่เสถียร ยังมีสมดุลพลังงานภายในหรือที่เรียกว่า สมดุลความร้อน กล่าวคือการแพร่กระจายอุณหภูมิภายในตามแนวรัศมีภายในดาวทำให้เกิดกระแสพลังงานไหลจากภายในออกสู่ภายนอก กระแสพลังงานที่ไหลผ่านชั้นผิวของดาวฤกษ์ออกมาในแต่ละชั้นจะมีปริมาณเท่ากับกระแสพลังงานที่ไหลเข้ามาจากชั้นผิวก่อนหน้า
เขตแผ่รังสี คือบริเวณภายในดาวฤกษ์ที่ซึ่งมีการถ่ายเทรังสีอย่างมีประสิทธิผลพอจะทำให้เกิดการไหลของกระแสพลังงานได้ ในย่านนี้จะไม่มีการหมุนเวียนของพลาสมา และมวลต่าง ๆ ล้วนหยุดนิ่ง หากไม่มีสภาวะนี้เกิดขึ้น พลาสมาจะเกิดการปั่นป่วนและเกิดกระบวนการพาความร้อนขึ้น ทำให้เกิดเป็นย่านเรียกว่าเขตพาความร้อน ลักษณะเช่นนี้อาจเกิดขึ้นได้ในบริเวณที่มีกระแสพลังงานไหลเวียนสูงมาก เช่นบริเวณใกล้แกนกลางของดาวหรือบริเวณที่มีการส่องสว่างสูงมากเช่นที่บริเวณชั้นผิวรอบนอก
ลักษณะการพาความร้อนที่เกิดขึ้นบนชั้นผิวรอบนอกของดาวฤกษ์บนแถบลำดับหลักขึ้นอยู่กับมวลของดาวฤกษ์นั้น ๆ ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลาย ๆ เท่าจะมีเขตพาความร้อนลึกลงไปภายในดาวมากและมีเขตแผ่รังสีที่ชั้นเปลือกนอก ขณะที่ดาวฤกษ์ขนาดเล็กเช่นดวงอาทิตย์จะมีลักษณะตรงกันข้าม โดยมีเขตพาความร้อนอยู่ที่ชั้นเปลือกนอกแทน ดาวแคระแดงที่มีมวลน้อยกว่า 0.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จะมีเขตพาความร้อนแทบทั้งดวง ซึ่งทำให้มันไม่สามารถสะสมฮีเลียมที่แกนกลางได้ สำหรับดาวฤกษ์ส่วนใหญ่จะมีเขตพาความร้อนที่เปลี่ยนแปลงไปเรื่อย ๆ ตามอายุของดาว และตามองค์ประกอบภายในของดาวที่เปลี่ยนแปลงไป
ส่วนประกอบของดาวฤกษ์ที่ผู้สังเกตสามารถมองเห็นได้ เรียกว่า โฟโตสเฟียร์ เป็นชั้นเปลือกที่ซึ่งพลาสมาของดาวฤกษ์กลายสภาพเป็นโฟตอนของแสง จากจุดนี้ พลังงานที่กำเนิดจากแกนกลางของดาวจะแพร่ออกไปสู่อวกาศอย่างอิสระ ในบริเวณโฟโตสเฟียร์นี้เองที่ปรากฏจุดดับบนดวงอาทิตย์หรือพื้นที่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิเฉลี่ยตามปกติ
เหนือกว่าชั้นของโฟโตสเฟียร์จะเป็นชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์ สำหรับดาวฤกษ์บนแถบลำดับหลักเช่นดวงอาทิตย์ ชั้นบรรยากาศต่ำที่สุดคือชั้นโครโมสเฟียร์บาง ๆ ซึ่งเป็นจุดเกิดของสปิคูลและเป็นจุดกำเนิดเปลวดาวฤกษ์ ล้อมรอบด้วยชั้นเปลี่ยนผ่านซึ่งอุณหภูมิจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในระยะทางเพียง 100 กิโลเมตรโดยประมาณ พ้นจากชั้นนี้จึงเป็นโคโรนา ซึ่งเป็นพลาสมาความร้อนสูงมวลมหาศาลที่พุ่งผ่านออกไปภายนอกเป็นระยะทางหลายล้านกิโลเมตร ดูเหมือนว่า โคโรนาจะมีส่วนเกี่ยวข้องกับการที่ดาวฤกษ์มีย่านการพาความร้อนอยู่ที่ชั้นเปลือกนอกของพื้นผิว โคโรนามีอุณหภูมิที่สูงมาก แต่กลับให้กำเนิดแสงสว่างเพียงเล็กน้อย เราจะสามารถมองเห็นย่านโคโรนาของดวงอาทิตย์ได้ในเวลาที่เกิดสุริยคราสเท่านั้น
พ้นจากโคโรนา เป็นอนุภาคพลาสมาที่เป็นต้นกำเนิดลมสุริยะแผ่กระจายออกไปจากดาวฤกษ์ กว้างไกลออกไปจนกระทั่งมันปะทะกับมวลสารระหว่างดาว สำหรับดวงอาทิตย์ อาณาบริเวณที่ลมสุริยะมีอิทธิพลกว้างไกลออกไปเป็นรูปทรงคล้ายลูกโป่ง เรียกชื่อย่านภายใต้อิทธิพลของลมสุริยะนี้ว่า เฮลิโอสเฟียร์
มีรูปแบบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่แตกต่างกันมากมายเกิดขึ้นในใจกลางของดาวฤกษ์ ขึ้นกับมวลและองค์ประกอบของดาวนั้น ๆ โดยปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ มวลสุดท้ายของนิวเคลียสอะตอมที่หลอมตัวที่น้อยกว่าค่ารวมขององค์ประกอบทั้งหมด มวลที่สูญเสียไปนั้นกลายไปเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ตามสมการความสมมูลระหว่างมวล-พลังงาน คือ "E" = "mc"²
กระบวนการฟิวชั่นของไฮโดรเจนเกิดขึ้นตามระดับของอุณหภูมิ ดังนั้นการที่อุณหภูมิใจกลางดาวเพิ่มขึ้นจะส่งผลต่ออัตราการเกิดฟิวชั่นอย่างมาก ผลที่ได้คือ อุณหภูมิใจกลางดาวของดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักจะมีค่าแปรเปลี่ยนอยู่ระหว่าง 4 ล้านเคลวิน สำหรับดาวฤกษ์เล็กประเภท M ไปจนถึง 40 ล้านเคลวิน สำหรับดาวฤกษ์มวลมากในประเภท O
สำหรับดวงอาทิตย์ซึ่งมีอุณหภูมิใจกลางประมาณ 10 ล้านเคลวิน ไฮโดรเจนจะหลอมละลายกลายเป็นฮีเลียมในห่วงโซ่ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน:
ปฏิกิริยาเหล่านี้ส่งผลต่อปฏิกิริยาในภาพรวมดังนี้:
โดยที่ e คือ โพสิตรอน, γ คือโฟตอนของรังสีแกมมา, ν คือ นิวตริโน, และ H กับ He คือไอโซโทปของไฮโดรเจนและฮีเลียมตามลำดับ พลังงานที่ปลดปล่อยออกจากปฏิกิริยานี้มีขนาดหลายล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งอันที่จริงเป็นเพียงส่วนเสี้ยวเล็กน้อยของพลังงานเท่านั้น อย่างไรก็ดี มีปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเป็นจำนวนมหาศาล ทำให้สามารถกำเนิดพลังงานขึ้นเพียงพอที่จะทำให้เกิดการแผ่รังสีของดาวฤกษ์
ในดาวฤกษ์ที่มีมวลสูงกว่านี้ ฮีเลียมจะทำให้เกิดวงจรปฏิกิริยาที่เร่งขึ้นเนื่องจากคาร์บอน คือวงจรปฏิกิริยาคาร์บอน-ไนโตรเจน-ออกซิเจน
ดาวฤกษ์ที่วิวัฒนาการไปด้วยอุณหภูมิใจกลาง 100 ล้านเคลวิน และมวลระหว่าง 0.5-10 เท่าของมวงดวงอาทิตย์นั้น ฮีเลียมสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นคาร์บอนได้ในกระบวนการทริปเปิล-อัลฟา ซึ่งใช้ เบริลเลียม เป็นธาตุที่เป็นตัวกลาง:
สำหรับปฏิกิริยาในภาพรวมคือ:
ในดาวฤกษ์มวลมาก ธาตุหนักจะถูกเผาผลาญไปในแกนกลางที่อัดแน่นโดยผ่านกระบวนการเผาผลาญนีออน และกระบวนการเผาผลาญออกซิเจน สภาวะสุดท้ายในกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์คือ กระบวนการเผาผลาญซิลิกอน ซึ่งทำให้ได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นไอโซโทปเสถียร เหล็ก-56 กระบวนการฟิวชั่นไม่อาจดำเนินต่อไปได้อีก นอกเสียจากจะต้องผ่านกระบวนการดูดกลืนความร้อน (endothermic process) หลังจากนั้น พลังงานจะเกิดขึ้นได้จากการยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น
ตัวอย่างข้างล่างนี้ แสดงระยะเวลาที่ดาวฤกษ์ขนาด 20 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จำเป็นต้องใช้ในการเผาผลาญพลังงานนิวเคลียร์ภายในตัวจนหมด ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักประเภท O จะมีรัศมี 8 เท่าของรัศมีดวงอาทิตย์ และมีความส่องสว่าง 62,000 เท่าของความส่องสว่างของดวงอาทิตย์