Hovedserien er det sammenhengende diagonale båndet som strekker seg fra det øvre venstre hjørnet i diagrammet, til det nederste høyre. Felles for stjernene som ligger i hovedserien er at de alle produserer energi ved at hydrogen i sentralområdet fusjonerer til helium (etter hvert som tilgangen på hydrogen minker, fusjoneres det tyngre stoffer). Fusjonen kan skje på to forskjellige måter: PP-kjeden (proton – proton-kjeden), som bare krever hydrogen for å produsere helium, eller CNO – syklusen (karbonsyklusen), som krever karbon som en katalysator i reaksjonen. Nettoresultatet for begge reaksjonene er at fire hydrogenatomer slår seg sammen til en heliumkjerne. Det blir også dannet 2 positive elektroner og 2 nøytrinoer. Massen av sluttproduktene er lavere enn den samlede massen av de 4 hydrogenatomene, og dette medfører ifølge Einsteins berømte formel (E=mc^2) at det blir frigjort energi. Formelen blir da: 4H → H + 2e + 2v + y Hvor lenge stjernene befinner seg på hovedserien blir bestemt av størrelsen. Stjerner med stor masse har høy temperatur i sentralområdet. Dermed vil hydrogenfusjonen gå raskt og levetiden blir da kort. Stjerner med liten masse har mindre utstrålt effekt og dermed lengst levetid. Levetiden strekker seg fra ned mot 1 million år til en levetid lengre enn universets alder.