19世纪中叶开始，随着望远镜研制水平的不断提高，人们对恒星的质量、光度、体积大小、温度等进行精确地测量。由于恒星距离我们特别远，大大提高了我们测量的难度。测量得出的各种参数也是不断修正的。直到20世纪60年代，人们才逐渐弄明白了恒星起源及演化的过程。
先从恒星的诞生说起。恒星最初产生的时候是巨型的分子云，主要成分是氢原子，密度不均匀，每立厘米大约是数千到百万个氢原子，直径大约是50～300光年，质量大约是太阳质量的十万到数千万倍。
有三种诱因可能会使得这种巨型分子云在绕星系运动的时候，发生引力坍塌。首先，巨型分子云之间的相互冲撞；其次，穿越星系旋臂的稠密部分的时候；最后，邻近的超新星爆发抛出的高速物质的冲撞。当诱因出现后，巨型分子云就会发生引力坍塌，从而造成星云的压缩和扰动，形成大量的恒星。
巨型分子云在坍塌的过程中，会分解成无数质量更小的片段，而深处宇宙那些质量小于太阳质量50倍的碎片，开始形成最原始的恒星。这个过程中，星云的气体分子会被巨型分子云释放出来的能量加热，使星云自旋运动，促使碎片形成原始恒星。
原始恒星和现在我们看到的恒星有很大的不同，它的表面几乎完全被密集的星云气体和灰尘掩盖着，不容易被观察出来。原始恒星被称为包克球，只有通过它对四周光亮的气体云产生的阴影来推断它的存在。
不是所有的原始恒星都会发生核聚变反应，变成明亮的恒星，这和原始恒星的质量和化学成分是紧密关联的。倘若原始恒星的质量很小的话，内部的温度就达不到氢的核融合反应的条件，原始恒星就会成为棕矮星。通常，质量小于0.075太阳质量，金属丰度又和太阳相似的原始恒星就会成为棕矮星。当然，如果金属丰度大于太阳的话，那么这颗原始恒星成为棕矮星的质量界限就会很低。当棕矮星的质量大于13个木星质量时，内部就会进行氘的融合反应。这类天体，被天文学家称为次恒星天体。可是，无论棕矮星内部是否会进行氘的融合反应，同其他恒星相比，它的寿命也很短，只有数亿年，随后它们光度暗淡，逐渐死亡。
而那些质量大于0.075太阳质量的原始恒星，核心的温度可以达到1000万K，这足够将氢先融合成氘，发生氢核聚变反应。这个过程中，会释放出巨大的能量，补充原始恒星因为辐射而损失的能量，就不需要再依靠收缩来达到平衡。于是，它开始成为一颗处于稳定主星序带的恒星。例如太阳的形成过程就是这样的，靠内部氢融合成氦维持稳定的状态已经度过大约46亿年，还能保持这种状态大约50亿年。
巨型分子云在坍塌的过程中，除了形成原始恒星的碎片，还可能在附近残留巨分子云碎片，这些碎片变成了后来的行星、小行星等天体。如果巨分子云碎片和形成的原始恒星的质量相近，就有可能形成双子或者多子星系。
刚开始形成的恒星，质量的大小不同，决定了它们的颜色、光度也不相同。恒星的质量从最低的0.085太阳质量到数十倍乃至百倍于太阳质量，它们对应的光谱类型自然也会不同。最低温的是红色，最高热的是蓝色。这些恒星就散落在了赫罗图的主序星带上的一个特定的点上了。而且，质量小的红矮星在主序星带上可以停留数百亿年甚至上千亿年，而质量大于太阳的超巨星却只能在主星序带上停留数百万年。
随着恒星的慢慢成熟，在形成了几百年到上千亿年之后，恒星的核中心的氢会被消耗完，核反应也会停止，只留下了一个氦核。核反应停止后，就没有和重力相抵消的能量了，恒星的外壳便会开始引力坍塌。核心的温度和压力就会增大，一旦核心温度达到了1亿K，氦聚变就会再次发生，重新来产生能量抵御引力。这时候，巨大的氦聚变能量会造成恒星膨胀，成为红巨星。红巨星可以持续数百年，因为大部分的红巨星不稳定，是变星，当质量不足以产生氦聚变时会释放热量，逐渐冷却后成为红矮星。
随着时间的推移，恒星会逐渐走向晚年和死亡，而它的进一步演化，依然是由恒星的质量决定的。主要的分为三种情况。
1.质量小的恒星
一些质量小于0.5倍太阳质量的恒星在氢耗尽之后就不会在核心产生氦聚变反应了。比如红矮星的比邻星，寿命长达数千亿年。在耗尽氢核之后，内部的氦聚变反应因为质量不够也终止了。从此星体逐渐冷却，光度也暗了下去。因为科学家们认为当前宇宙的年龄被认为是137亿年，还没有达到使这些恒星核心的氢完全消耗殆尽，因此，这类质量小的恒星的演化终点还没有直接观察到。
2.质量中等的恒星
在0.5到3.4太阳质量的恒星属于中等质量的恒星，它们的氢燃烧完以后，外壳会不断地向外膨胀，核心向内压缩，从而产生氦聚变成碳的核反应。于是这类恒星就达到了红巨星的阶段。氦核的聚变会重新产生新的能量，暂时缓解恒星的死亡过程。像太阳太小的恒星，可能会在红巨星的位置上停留10亿年左右。然而，氦聚变反应对温度的要求是极其敏感的，会造成红巨星的状态不稳定，体积也忽大忽小。
在巨大的波动下，红巨星的一部分外壳会产生巨大的动能，被抛出去变成行星状星云。这类星云的内核冷却后，就变成了小的白矮星，体积只有地球那么大，质量也只有太阳的0.6倍。
和红巨星相比，白矮星是比较稳定的，在没有外界能量支持的话，数百亿年后才有可能释放完自身的热量，渐渐黯淡下去，变成黑矮星。但是就目前的宇宙年龄来说，黑矮星也是不存在的。
如果白矮星的质量太大的话，电子的互斥力不足以抵消引力时，就会发生坍缩。这也会造成恒星向外抛出外壳，爆发形成新星。
3.质量大的恒星
质量大于太阳质量的5倍时，核心温度就已经达到将氢融合产生氦引燃，进行氦聚变反应。这类恒星在膨胀和冷却后，亮度和质量小的恒星差不多，但会比低质量形成的红巨星要亮很多，因此被称为超巨星。变为红超巨星以后，核心开始被重力压缩，温度和密度的上升会引发一系列的核聚变反应。这些反应会产生越来越重的元素，而聚变过程中产生的能量也会延缓恒星的坍缩。
然而，大质量恒星演化的下一步演变机制，目前并不明确。很多学者认为红巨星状态不稳定，核心产生的重元素会越来越多，最终会导致它崩溃产生新星。现代科学推测，这类恒星演化的终点很可能是中子星和黑洞。
20世纪20年代初，英国天文学家爱丁顿通过研究认为：恒星在演化后期内部燃料即将耗尽，所产生的能量不足以抵消星体内部物质间的引力，于是体积收缩，密度增大，演化为致密的白矮星。1925年，科学家在观测的时候发现了第一颗白矮星。
1939年，美国物理学家奥本海默提出：质量很大的恒星由于其引力的巨大，将使它的最后归宿不是白矮星，它会继续收缩，原子核和原子均被挤碎，带正电的质子和带负电的电子在强大的引力作用下被结合成中性的中子，庞大星体收缩成为体积小，质量和密度极大的小球——中子星。
20世纪50年代，美国天文学家史瓦西预言：超大质量的恒星爆发后不断收缩，当它的引力强到足以使光都不能外逸时，就会产生“黑洞”。
1967年，英国射电天文学家和他的研究生贝尔发现了第一颗中子星。
1974年，英国理论物理学家霍金证明：黑洞中将产生正反粒子对，其中的正能粒子会逸出，形成黑洞“蒸发”现象。
2012年7月，天文学家称观测发现了距离地球超过50光年远的类行星编号3C279，它的体内包含了一个质量高达10亿倍太阳质量的黑洞。成为首个“事件视界”被观测存在的直接证据。
当然，截至目前，人们对恒星演化过程还在进行孜孜不倦的探索。宇宙的奥秘也需要进一步研究。
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