當一顆恆星耗盡了它儲存的氫燃料後，它並不會簡單地消失。反之，恆星的核坍縮，它的外圍層開始極大地膨脹，導致它至少在一段時間內是又大又亮，但相對溫度較低的恆星，稱為紅巨星。它們最終將以不同的方式走向死亡，這要根據它們的質量和化學成分而定。但所有的恆星都會經歷紅巨星階段，包括我們太陽系內的恆星——太陽在內。

當一顆恆星已經燃燒掉大部分氫燃料時，充滿氦“灰燼”的核心會在自身的質量下坍縮。恆星會坍縮98%，並變熱，直到氫開始燃燒為氦，形成一層包裹著核心的薄殼，隨著氫的核聚變反應從中心轉移到外層，核心變得更稠密、更熱，最終其能量將恆星的外圍層推入太空。在僅僅幾百萬年 的時間裡，恆星的直徑將增加100多倍，溫度大約降至之前的一半。

溫度的下降意味著恆星的光會變得更紅，就像火焰的餘燼。但恆星表面積的巨增確保了實際的能量輸出比以前更多。紅巨星恆星是天空中可見的最明亮的恆星之一。

與此同時，核心繼續坍縮， 直到氦變得足夠緻密，這使得原子核和電子都擠在一起。最終， 核心的溫度高到足以觸發從氦到碳的核聚變反應，但由於核心的物質過於密集，它表現得更像熔化的金屬，而不是氣體。它並不是繼續膨脹，僅僅只是變得更熱。 核聚變反應加速，直到溫度達到1 億攝氏度，核心會突然恢復為氣體並爆炸。

但當中心的氦燃料耗盡時， 核心又會再次坍縮。這時，產生的能量會使恆星膨脹為一顆紅超巨星，其延伸得如此遙遠，以至於只有微弱的引力來維持它的外圍層。在這個階段，許多超巨星開始隨著劇烈的核心爆炸和冷卻收縮交替脈動。恆星的具體行為要根據它的質量來定。巨大的恆星可能會無規律地閃爍，如獵戶座的參宿四。對於較輕的恆星， 氦是最後可用的能源。最終，核的燃燒將停止。恆星將把它的外圍層丟擲去，形成行星狀星雲。 更大質量的恆星可能會更壯觀地結束它們的生命，成為超新星。

諸如太陽這樣的恆星，在生命的晚期都會膨脹為紅巨星，這與恆星的演化方式有關。恆星的最主要成是氫，另一大成分是氦。在恆星誕生之後，核心的高溫高壓環境能夠把氫聚變為氦，併產生非常強大的輻射壓，這種力量剛好與恆星的自重取得平衡。在很長一段時間內，恆星都是處於這種穩定的狀態。

隨著氫核聚變的進行，氦逐漸在核心積累。當氫被消耗完之後，由於沒有輻射壓的支撐，核心將會收縮，從而使這裡的溫度和壓力進一步升高，氦核聚變反應得以啟動。與此同時，更熱的核心會導致外層膨脹。由於體積急劇膨脹，表面溫度將會隨之降低，所以這樣的恆星看起來呈現為紅色，並且體型巨大，這就是紅巨星。這種現象在宇宙中都可以找到很多例子，比如，在兩萬年前演化為紅巨星的天鶴座π1，太陽的未來將類似於這顆恆星。顯然，研究宇宙中的紅巨星具有重要的實際意義。

不過，並非所有的恆星都會演化為紅巨星。對於那些質量高達太陽幾十或上百倍的藍超巨星，它們可能會透過強烈的恆星風失去外層，從而演化成沃爾夫-拉葉星，這種恆星可能不會經歷超新星爆發而直接坍縮成黑洞。

此外，對於那些質量小於太陽四分之一的紅矮星，由於它們的內部存在很強的對流，氦無法在核心聚集，氦核聚變無法進行，所以它們也不會膨脹成紅巨星。但這類恆星能夠存在極其漫長的時間，直到最終耗盡氫之後，整個恆星將會坍縮為白矮星。