當恆星停留在主序帶時，會一直利用核融合產生穩定的光與熱，而核融合的機制是將四顆氫原子核結合為一顆氦原子核，因此恆星內部的氫會續漸減少，而氦會續漸增加。以太陽這種中型恆星為例，太陽距零齡已有四十六億年，約處在中年期，核心溫度已升高到1千5百萬度，但核心的氫氦比例己由3:1 降到1:1 (甚至1:2)，所以產能強度已大為降低。形成核心受強大重力的擠壓，物質的密度高達每立方公分重150克。依據恆星理論的推算，現在太陽的亮度比零齡階段高30%。太陽的核中心的氫之比例會持續下降，當核中心的氫用盡後，恆星的核心會被氦取代,成為"氦核"。當星核的氫燃料已經耗盡，核心的氫核融合反應也終止了，恆星即將離開主序帶，進入後主序帶恆星的演化(老年期) ，並走上死亡之旅。
恆星的內部結構隨質量而異，但對大部份的恆星而言，除了質量比太陽少2.5倍或以下(40%或以下)的小型恆星外，恆星的物質分佈並不均勻。以太陽為例，核心的外面是輻射層，其星核的物質並不與外層的物質混合，即使核心的氫已耗盡時，核心外的物質仍然大致保有3:1 的氫氦比。當核心氫氣燃燒殆盡之後，質子─質子鏈的核融合便會停止，剩下的氦核便會開始塌縮並產生熱，將緊鄰核心的氫外殼加熱而開始產生熱核反應，構成了氫融合層。此時期的恆星，除了星核的邊緣區域仍有少量的氫融合反應外，中心區域的核反應已經停歇，但殘存的輻射能量，仍然需要很長的時間才能完全傳遞出來，所以核心溫度，並未因為核反應中止而大幅下降。但此時逐漸失去輻射壓支撐的恆星，核心被強大的重力壓縮，其重力位能轉換成核心物質的動能，致使星核的溫度急劇上升。在這一階段的恆星，它的能量輸出速率反而比在主序星時來得高。氦核所輻射出的能量與氫核融合層所產生的能量， 使得恆星外層的氣體(氫,氦)膨脹。由於總表面面積的增加，恆星會變得極之光亮。雖然核心仍保持熾熱，溫度急劇上升，但膨脹令表面溫度下降，結果星光變紅，最後演化為一顆紅巨星。當太陽演化為一顆紅巨星的時候，它會漲大到地球現時的位置﹐而把地球吞噬。
所有紅巨星都是變星，當恆星離開主星序進入巨星區域之前會經過所謂的不穩定時期，此時恆星的發光強度會不穩定。恆星外層的離子化氫與氦原子，會吸收恆星內部所發出的能量，恆星外層因而膨脹變大，使得發光強度變大，在膨脹的過程中，常又超越了"平衡半徑" 。當外層物質放出所儲存的能量後，重力勝過輻射壓，恆星外層向內收縮，此時表面積變小，所以光度也變小。當收縮衝過了頭，使得恆星外層又重新吸收了大量的能量，又開始下一波的膨脹與收縮。對這一類的恆星，它們的外層像是作簡詣運動的彈簧，而它們的光度的變化也具有週期性。當恆星外殼不斷膨脹與收縮，氦核心同時不斷收縮加熱，直至達到1億2千萬度以上﹐足以燃燒氦(此現象稱之為氦閃)為止，即把三顆氦原子核結合為一顆碳原子核。由於這時燃燒氫和氦以產生能源的過程並不穩定，星體除了會不斷脈動外，更會產生強勁的恆星風把外殼「吹掉」。最後整個外殼會被拋出外太空，成為行星狀星雲(planetary Nebula) 。
當太陽進入後主星序時期，經過氦閃將外層氣體以大約每秒10至20公里的速度拋出，形成行星狀星雲，在此過程中太陽會損失大約10%的質量。中心會留下一顆溫度約2萬5千度至十萬度的核心。此時由於太陽的核心熱力不足以把碳燃點起來，所以當所有氫和氦皆告用罄時，無法再進一步的增溫而觸發氦融合反應，恆星便會開始收縮，這時候，電子簡併壓力(此理論暫時還十分簡略和不準確，但電子簡併壓力可勉強看成是來自電子擠至互相觸碰時所造成的抵抗力)成為了抵抗恆星進一步塌縮的主要力量。電子簡併壓力並非來自任何核反應﹐所以它能永遠抵抗恆星的引力。到此太陽的溫度會不斷下降，並變得越來越暗，成為白矮星(White Dwarf)，此時太陽已經完全死亡，只能將餘下的能量(溫度)向外輻射。一顆典型的白矮星比地球略小，但質量卻和太陽差不多，密度約為每立方厘米3百萬克，是岩石的 30萬倍，大約相當於將一個太陽放入一個半徑5000 km (約為地球半徑的四分之三)的球體內。當白矮星把所有能量完全輻射完畢，白矮星便成為黑矮星(Black Dwarf)。但這個過程所需時間比宇宙現在的年齡更長，所以天文學家相信宇宙中仍沒有黑矮星的存在。