Sự hình thành và tiến hóa của Hệ Mặt Trời
Tương lai > Mặt Trời và môi trường hành tinh

Xem thêm: Tiến hóa sao
Về dài hạn, những thay đổi lớn nhất trong Hệ Mặt Trời đến từ những thay đổi trong bản thân Mặt Trời khi nó già đi. Khi Mặt Trời đốt đi nguồn dự trữ hydro của nó, nó sẽ trở nên nóng hơn và do đó đốt phần dự trữ còn lại ngày càng nhanh. Kết quả là Mặt Trời sẽ tăng cường độ sáng với tốc độ 10% mỗi 1,1 tỉ năm. Trong thời gian một tỷ năm, khi công suất bức xạ Mặt Trời tăng lên, vùng cho phép sự sống của nó sẽ dịch chuyển ra ngoài, khiến cho bề mặt Trái Đất quá nóng để nước tiếp tục tồn tại một cách tự nhiên ở thể lỏng. Vào thời điểm này, tất cả sự sống trên mặt đất sẽ bị tuyệt diệt. Trước khi các đại dương hoàn toàn khô cạn, hơi nước bốc lên từ bề mặt đại dương tạo thành một nguồn khí nhà kính khổng lồ, làm tăng tốc quá trình tăng nhiệt độ, có thể chấm dứt sự sống trên Trái Đất còn sớm hơn nữa. Trong khoảng thời gian này, có thể là nhiệt độ bề mặt Sao Hỏa sẽ tăng từ từ, hơi nước và CO2 hiện tại đang đóng băng dưới regolith bề mặt sẽ giải phóng vào khí quyển tạo nên hiệu ứng nhà kính nung nóng hành tinh cho đến khi nó đạt những điều kiện tương đương với Trái Đất ngày nay, do đó cung cấp nơi trú chân tiềm năng trong tương lai cho sinh vật trên Trái Đất. Trong khoảng 3,5 tỉ năm tới, các điều kiện trên bề mặt Trái Đất sẽ tương tự như của Sao Kim ngày nay.
Sau khoảng 5,4 tỉ năm tới, lõi Mặt Trời sẽ trở nên đủ nóng để kích hoạt phản ứng nhiệt hạch hydro ở lớp vỏ bao quanh nó. Điều này sẽ khiến các lớp bên ngoài nở ra mạnh mẽ, và ngôi sao sẽ bước vào một giai đoạn tiếp trong cuộc đời của nó, khi nó trở thành một sao khổng lồ đỏ. Trong khoảng 7,5 tỉ năm, Mặt Trời sẽ giãn nở tới bán kính cỡ 1,2 AU—tức gấp 256 lần kích thước hiện tại. Ở đỉnh của nhánh sao khổng lồ đỏ trong biểu đồ tiến hóa sao, do kết quả của diện tích bề mặt tăng cực lớn, bề mặt Mặt Trời sẽ trở nên nguội hơn nhiều hiện nay (khoảng 2600 K) và độ sáng của nó cũng tăng lên 2700 lần độ sáng hiện tại. Một đặc trưng khác của sao khổng lồ đỏ là gió sao từ nó sẽ rất mạnh, đem đi khoảng 33% khối lượng của nó ra không gian. Trong thời gian này, có thể là vệ tinh Titan của Sao Thổ đạt được nhiệt độ bề mặt cần thiết để đảm bảo cho sự sống tồn tại.
Khi Mặt Trời giãn nở, nó sẽ nuốt các hành tinh ở gần gồm Sao Thủy và Sao Kim. Số phận của Trái Đất thì khó lường hơn; mặc dù Mặt Trời sẽ nở ra trùm cả quỹ đạo ngày nay của Trái Đất, sự mất mát khối lượng của ngôi sao làm suy yếu hấp dẫn của nó sẽ khiến quỹ đạo các hành tinh di chuyển ra xa hơn. Nếu chỉ tính đến điều này thì Sao Kim và Trái Đất có lẽ sẽ thoát khỏi sự thôn tính, nhưng một nghiên cứu gần đây hơn (2008) gợi ý rằng Trái Đất sẽ bị tiêu diệt do tương tác thủy triều với lớp vỏ ngoài gắn kết lỏng lẻo của Mặt Trời.
Dần dần, hydro đốt cháy trong vỏ bao quanh Mặt Trời sẽ làm tăng khối lượng của nó cho tới khi nó đạt khoảng 45% khối lượng hiện tại của Mặt Trời. Vào thời điểm đó mật độ và nhiệt độ sẽ đạt rất cao tới nỗi sự tổng hợp heli thành cacbon sẽ bắt đầu, dẫn đến cái gọi là chớp heli; Mặt Trời sẽ co lại từ 250 lần kích thước hiện tại (dãy chính) xuống còn 11 lần. Độ sáng theo đó cũng giảm từ 3000 lần mức hiện tại xuống còn 54 lần, và nhiệt độ bề mặt sẽ tăng lên tới khoảng 4770 K. Mặt Trời sẽ trở thành một ngôi sao ở nhánh chân trời, đốt cháy heli trong nhân một cách ổn định giống như nó đang đốt hydro hiện nay. Pha nhiệt hạch heli này chỉ tồn tại chừng 100 triệu năm. Cuối cùng, nó một lần nữa lại quay về nguồn dự trữ hydro và heli ở các lớp bên ngoài và sẽ nở ra một lần nữa, trở thành một ngôi sao nhánh khổng lồ tiệm cận. Vào lúc đó độ sáng Mặt Trời sẽ lại tăng lần nữa, đạt 2090 lần mức hiện tại, và nó sẽ nguội lại xuống còn 3500 K. Pha này tồn tại kéo dài chừng 30 triệu năm, sau đó, trong một quá trình tốn khoảng 100 nghìn năm, các lớp ngoài còn lại của Mặt Trời sẽ tách ra, tuôn những dòng vật chất khổng lồ vào không gian và tạo nên một vầng hào quang bị gọi (hiểu lầm) là một tinh vân hành tinh. Vật chất phóng ra sẽ chứa heli và carbon tạo từ phản ứng hạt nhân của Mặt Trời, tiếp tục cung cấp các nguyên tố nặng vào không gian liên sao cho các thế hệ sao tương lai.
Đây là một sự kiện tương đối yên bình, không hề giống với một vụ nổ siêu tân tinh mà Mặt Trời vì quá bé nên không thể tạo ra. Bất kỳ người quan sát nào có mặt để chứng kiến sự kiện này sẽ thấy sự tăng cường gió Mặt Trời quy mô lớn, nhưng nó sẽ không đủ để hủy diệt hoàn toàn một hành tinh. Tuy nhiên, sự mất mát khối lượng ngôi sao có thể khiến quỹ đạo các hành tinh sống sót rơi vào hỗn độn, khiến một số va đập vào nhau, một số văng ra khỏi Hệ Mặt Trời, và số khác bị xé vụn bởi tương tác thủy triều. Sau đó, tất cả những gì còn lại của Mặt Trời là một sao lùn trắng, một thiên thể cực kì đặc, với 54% khối lượng ban đầu nén vào một kích thước chỉ bằng Trái Đất. Ban đầu, sao lùn trắng này có thể sáng gấp 100 lần Mặt Trời hiện tại. Nó sẽ chứa oxy và carbon suy biến, nhưng không bao giờ đủ nóng để phản ứng nhiệt hạch với các nguyên tố này. Do đó sao lùn trắng Mặt Trời sẽ nguội dần, trở nên ngày càng mờ đi.
Khi Mặt Trời chết dần, sức hút hấp dẫn lên các thiên thể quay quanh nó, như các hành tinh, sao chổi và tiểu hành tinh sẽ yếu đi do sự mất mát khối lượng. Tất cả các hành tinh còn lại sẽ giãn quỹ đạo quay; nếu Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa vẫn còn sống sót, quỹ đạo của chúng một cách xấp xỉ sẽ tương ứng nằm trong khoảng 1,4 AU (210.000.000 km), 1,9 AU (280.000.000 km), và 2,8 AU (420.000.000 km). Chúng và các hành tinh còn lại khác sẽ trở thành các khối vật thể lạnh lẽo, tối tăm, hoàn toàn tiêu diệt bất kỳ dạng sự sống nào. Chúng sẽ tiếp tục quay quanh ngôi sao, vận tốc giảm dần do khoảng cách tới Mặt Trời tăng và hấp dẫn Mặt Trời giảm. Hai tỉ năm sau đó, khi Mặt Trời nguội xuống khoảng 6000–8000 K, carbon & oxy trong lõi Mặt Trời sẽ đóng băng, với 90% khối lượng còn lại của nó mang một cấu trúc tinh thể. Cuối cùng, sau thêm hàng tỉ năm nữa, Mặt Trời sẽ hoàn toàn ngừng phát sáng, trở thành một sao lùn đen.