恒星演化是恒星在生命过程中所经历急遽变化的序列。恒星依据质量，一生的范围从质量最大的恒星只有几百万年，到质量最小的恒星比宇宙年龄还要长的数兆亿年。所有的恒星都从通常被称为星云或分子云的气体和尘埃坍缩中诞生。在几百万年的过程中，原恒星达到平衡的状态，安顿下来成为所谓的主序星。

恒星大部分的生命期都在以核聚变产生能量的状态。最初主序星在核心将氢融合成氦来产生能量，然后氦原子核在核心中占了优势。像太阳这样的恒星会从核心开始以一层一层的球壳将氢融合成氦。这个过程会使恒星的大小逐渐增加，通过次巨星的阶段，直到达到红巨星的状态。质量不少于太阳一半的恒星也可以经由将核心的氢融合成氦来产生能量，质量更重的恒星可以依序以同心圆产生质量更重的元素。

像太阳这样的恒星用尽了核心的燃料之后，其核心会塌缩成为致密的白矮星，并且外层会被驱离成为行星状星云。质量大约是太阳的10倍或更重的恒星，在它缺乏活力的铁核塌缩成为密度非常高的中子星或黑洞时会爆炸成为超新星。虽然宇宙的年龄还不足以让质量最低的红矮星演化到它们生命的尾端，恒星模型认为它们在耗尽核心的氢燃料前会逐渐变亮和变热，然后成为低质量的白矮星。

恒星的变化非常缓慢，甚至数个世纪之久也检测不出任何变化，所以单独观察一颗恒星无法研究恒星如何演化。所以天文物理学家藉其他替代方法，例如观察许多在不同生命阶段的恒星，并且使用电脑模拟来推断恒星结构。