当主序星核心处的氢燃烧殆尽后，恒星的演化将进入主序后阶段。初始质量低于0.5倍太阳质量的主序星不足以热到使其核心处的氦参与核聚变反应，这样的恒星将燃烧完它所有的氢，最终成为一颗氦白矮星。质量介于0.5至8倍太阳质量的主序星将演化成为比在主序列时更大但表面温度更低的红巨星。此类恒星会依次进入红巨星分支、水平分支和渐近巨星分支等阶段，最终其核心将成为一颗碳氧白矮星。质量介于8至10倍太阳质量的主序星规模已大到足以将核心处的碳聚变为氖和镁，最终将形成一颗氧氖镁白矮星。如果一颗恒星的质量足够巨大，那么在其核心处会热到不断合成更重的元素，直至产生铁，此后核心便无法再从核聚变中获取能量，由于此时电子简并压并不足以抗衡引力，恒星核心将经历突然和毁灭性的坍塌，通过释放引力势能，产生一次剧烈的爆炸，形成超新星。超新星爆发极其明亮，能够照亮其所在的整个星系，持续时间可达数周甚至数年之久。在此期间，一颗超新星所释放的辐射能可以与太阳在其一生中辐射能量的总和相当。超新星爆发时会将其大部分甚至几乎所有的物质以极高的速度向外抛散，在周围的星际介质中产生激波，最终形成丝状气体云和气壳，被称为超新星遗迹。这些注入星际介质的元素最终丰富了分子云，并参与到下一代恒星的形成。这导致每一代的恒星组成都略有不同，从几乎纯氢和氦的混合到富含更多金属的成分，超新星是分配这些较重元素的主要机制。超新星爆发后的残余核心将形成中子星或黑洞。

当一颗恒星耗尽了其全部的核燃料后，它的残骸可以是以下三种形态之一，具体取决于其质量。如果恒星残骸的质量低于1.4倍太阳质量，电子简并压足以抗衡引力，最终恒星将成为一颗白矮星。白矮星的温度很高，会通过辐射的形式损失热能，当白矮星足够冷却，不再发出光和热，便会成为黑矮星。质量高于约8个太阳质量的恒星残骸内部压力会造成电子捕获，使得大多数质子转变为中子，恒星的核心将成为只有中子的致密球体，这种天体被称为中子星。由于中子星具有较高的质量与超高的转速，使吸积极度漫长而持久，这样就形成了黑洞。

总之，恒星演化包括引力收缩提供能量的主序前阶段、核心处氢到氦的核聚变反应提供能量的主序阶段、以及氦碳或更重元素的核聚变提供能量的主序后阶段。恒星的演化残骸主要取决于其质量，晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结：白矮星、中子星和黑洞。

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