恒星演化理論的形成歸功于天體物理學(xué)的發(fā)展。天體物理學(xué)發(fā)展的一個方面是研究工具和研究方法的進(jìn)步，從利用望遠(yuǎn)鏡觀測發(fā)展到進(jìn)行光譜分析。量子論從理論上解釋了元素的光譜現(xiàn)象。天文學(xué)家根據(jù)天體的光譜，就能知道發(fā)光體由哪些元素構(gòu)成，并且可以計算這些元素含量的比例。因此，天文學(xué)家可以在地球上對天體諸元素分析和溫度推算。天文學(xué)家拍攝了幾十萬顆恒星的光譜照片。
1914年，天體物理學(xué)發(fā)展史上一個重要里程碑的赫羅圖正式被天文學(xué)工作者采用。在赫羅圖上，千萬顆恒星的復(fù)雜狀況歸納總結(jié)成幾種簡單的情況，這顯示了恒星世界內(nèi)部可能存在共同的規(guī)律。
恒星的光度和溫度只是它們的表面現(xiàn)象。恒星為什么會發(fā)光？它們的能量是從哪里來的？這些問題很多人曾經(jīng)探討過，但沒有找到答案。1938年，美國物理學(xué)家貝特(1906—)指出，在太陽內(nèi)部那樣高溫情況下(攝氏1千萬度以上),氫原子核可以聚變成氦核并且放出巨大能量。物理學(xué)家通過理論計算，證明太陽上具有的質(zhì)量和核聚變所放出的能量，足夠維持它在幾十億年輻射大量的能量。在核聚變的基礎(chǔ)上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)所有恒星都要遵守一個共同規(guī)律，這就是恒星都要消耗本身的質(zhì)量，通過核聚變把質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，再通過輻射把能量傳播出去，因此所有恒星都必然隨著質(zhì)量的消耗逐漸走向死亡，同時溫度和光度也跟著發(fā)生變化。
根據(jù)赫羅圖和核聚變，英國天文學(xué)家霍伊耳(1915—)等人提出了恒星演化的理論。20世紀(jì)50年代以后，應(yīng)用電子計算機進(jìn)行分析計算，恒星演化的理論得到迅速的發(fā)展。
恒星演化可以分為三個時期。第一個時期是恒星的形成時期。恒星起源于宇宙空間的大質(zhì)量星云。理論計算指出，當(dāng)星云密度足夠大的時候，在引力的作用下開始收縮。隨著收縮的進(jìn)行，溫度開始升高，氫原子電離為氫離子。星云進(jìn)一步收縮成球狀，這時候發(fā)出紅外線輻射，叫做紅外星。實際觀測發(fā)現(xiàn)，有氫原子云、氫離子云和紅外星存在。紅外星進(jìn)一步收縮，內(nèi)部溫度上升到攝氏一千萬度左右的時候，氫不斷聚變成氦。恒星演化就進(jìn)入了第二個時期。
在第二個時期里，恒星是相對穩(wěn)定的。由于核反應(yīng)產(chǎn)生巨大的能量，恒星內(nèi)部壓力足夠和引力抗衡，不再收縮，這種恒星處在赫羅圖上的主星序帶，叫做主序星。象太陽這樣的恒星，在主序星階段要停留100億年左右。當(dāng)恒星內(nèi)部的氫消耗完了的時候，恒星中間層的氫開始參加聚變反應(yīng)，結(jié)果會使恒星體積增大幾千倍。因為輻射能的增加趕不上表面積的增加，所以恒星表面溫度降低，變成紅顏色，體積大的紅巨星。在紅巨星內(nèi)部，氦原子核可以聚變形成碳原子核。象太陽這樣的恒星進(jìn)入紅巨星階段以后可能停留十億年左右。當(dāng)紅巨星內(nèi)部所有可以發(fā)生核反應(yīng)的物質(zhì)都消耗完了的時候，恒星內(nèi)部就失去了能量來源，它的壽命也就快結(jié)束了。因為恒星在主序星階段的停留時間比其他階段都要長得多，所以我們觀察到的大部分恒星都是主序星。
恒星演化的第三個時期是死亡時期。恒星的死亡有兩種方式。不到太陽質(zhì)量三倍的恒星內(nèi)部核反應(yīng)結(jié)束的時候，在引力作用下又開始收縮。恒星的體積變得很小，密度很大，演變成白矮星。比太陽質(zhì)量大三倍的恒星，由于引力強，當(dāng)內(nèi)部核反應(yīng)結(jié)束的時候，不是緩慢的收縮，而是迅速坍縮，同時外層的氫、碳等進(jìn)行聚變反應(yīng)發(fā)生大爆炸，使外層物質(zhì)向星際空間拋射，形成星云，這就是超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)以后，留下的核心部分變成超高溫、超高密度的狀態(tài)，原子里的電子被擠入原子核和質(zhì)子結(jié)合，形成中子星。如果超新星爆發(fā)以后留下的剩余質(zhì)量仍舊大于兩個太陽的話，那就形成比中子星密度更大的天體，它將具有極強的引力，任何物體掉到它的表面都再也不能離開，就是光也發(fā)射不出來，這種天體叫做黑洞。中子星和黑洞實際存在不存在呢？科學(xué)家們還在不斷地研究和探索。
從紅外星起，經(jīng)過主序星和紅巨星階段，最后變成白矮星，或者發(fā)生超新星爆發(fā)，這是一個恒星在時間上的演化序列。那么恒星在空間分布上是雜亂無章還是有內(nèi)在聯(lián)系的呢？這就是天文學(xué)另外一個分支——宇宙學(xué)所研究的問題了。