Les estrelles es componen de plasma molt calent (un gas on els electrons i els nuclis dels àtoms estan en gran part separats) que es manté unit per la pròpia gravetat. La producció d'energia de sosteniment d'una estrella es genera a través de reaccions nuclears que tenen lloc en el seu centre. Inicialment, fusionen hidrogen en heli, a través de la cadena protó-protó (i per a estrelles més massives a través del cicle CNO carboni-nitrogen-oxigen) abans de passar a fusionar elements superiors. Les estrelles s'estabilitzen per la pressió exercida per l'energia alliberada durant els processos de fusió, cosa que contraresta la tendència de l'estrella a col·lapsar-se sota la pròpia gravetat. D'aquesta manera, la majoria d'estrelles de massa similar o menor a la del Sol es mantenen estables durant milers de milions o, fins i tot, desenes de milers de milions d'anys.
El col·lapse gravitacional dels núvols moleculars freds i gegants origina les estrelles. A mesura que el núvol s'ensorra, es fragmenta en nuclis les regions centrals dels quals són cada cop més denses i més calentes. Més enllà dels valors crítics de temperatura i de pressió, la fusió nuclear s'inicia i neix una estrella. Aquesta jove estrella està inicialment envoltada per un disc protoplanetari de pols i de gas. Al llarg de milions d'anys, aquest disc es fragmenta en planetes i cossos més petits.
Amb un diàmetre equatorial d'uns 1,4 milions de quilòmetres, el Sol, l'estrella més propera a la Terra, és tan gran que hi podríem cabre aproximadament 1,3 milions de Terres. Tot i que la nostra estrella és enorme en comparació amb el nostre planeta, en l'Univers hi ha estrelles molt més grans. La supergegant VY Canis Majoris, amb unes 1400 vegades el diàmetre del Sol, és l'estrella més gran coneguda fins ara. Si es trobés en el centre del Sistema Solar, la superfície de VY Canis Majoris s'estendria més enllà de l'òrbita de Júpiter. També hi ha estrelles molt més petites que el Sol. L'estrella més propera, Proxima Centauri, és una nana vermella amb un diàmetre d'uns 200.000 quilòmetres, tan sols 16 vegades el diàmetre de la Terra.
Tot i que sembla uniforme, la superfície del Sol està esquitxada de taques fosques. Aquestes taques solars, que són regions amb un intens camp magnètic, semblen fosques perquè són més fredes que el material que les envolta. El Sol alterna fases en què es produeixen moltes taques i fases en què se'n produeixen poques. De vegades, el camp magnètic del Sol es deforma, genera molta energia i allibera aquesta energia en un esclat de llum i de partícules. Aquests esclats s'anomenen flamarades o ejeccions de massa coronal. Quan està en calma, fins i tot, el Sol llança cada segon a l'espai uns 1.500 milions de quilograms de gas calent i magnetitzat. Aquest vent solar flueix pel Sistema Solar i interactua amb els planetes. Hi ha altres estrelles que també produeixen flamarades i vents.
Les estrelles poden tenir temperatures superficials d'entre uns milers de graus centígrads a cinquanta mil graus centígrads. Les estrelles calentes irradien la major part de la seva energia en la regió blava i ultraviolada de l'espectre electromagnètic (longituds d'ona curtes) i, per tant, semblen blavoses als nostres ulls. Les estrelles més fredes semblen vermelloses, ja que irradien la major part de la seva energia en les regions vermelles i infraroges de l'espectre electromagnètic (longituds d'ona llargues).
L'espai entre les estrelles conté petites traces de matèria en forma de gas, de pols i de partícules d'alta energia ("raigs còsmics"). Aquest contingut s'anomena medi interestel·lar. Pot ser més o menys dens en diferents parts de la galàxia. Tanmateix, fins i tot les regions més denses del medi interestel·lar són encara mil vegades menys denses que el millor buit creat en un laboratori.
Les simulacions per ordinador revelen que les primeres estrelles tenien una vida d'uns milions d'anys. En canvi, l'esperança de vida mitjana d'una estrella semblant al Sol és d'uns 10.000 milions d'anys. Les estrelles nanes vermelles de poca massa poden viure bilions d'anys. Una estrella amb una massa semblant a la del Sol acabarà esdevenint una estrella gegant vermella i, més tard, expulsarà la major part de la seva massa a l'espai, deixant enrere una estrella nana blanca compacta envoltada pel que s'anomena una nebulosa planetària. Una estrella amb almenys vuit masses solars evolucionarà cap a una supergegant vermella abans d'esclatar en un esdeveniment anomenat supernova, deixant enrere una estrella de neutrons o un forat negre estel·lar.
Un forat negre és una regió de l'espai el camp gravitatori extrem de la qual impedeix que qualsevol cosa, fins i tot la llum, s'escapi un cop ha travessat l'horitzó d'esdeveniments. L'horitzó d'esdeveniments és una superfície límit que envolta un forat negre, on la velocitat necessària per escapar del seu camp gravitatori és més gran que la velocitat de la llum. Els models teòrics prediuen que en el centre d'un forat negre hi ha una singularitat, on la densitat de la matèria i la curvatura de l'espai-temps s'acosten a l'infinit. Els forats negres de massa estel·lar tenen masses de l'ordre d'unes desenes de masses solars, en una regió que té un radi d'uns quilòmetres a unes desenes de quilòmetres (segons la massa).
A banda de l'hidrogen, la major part de l'heli i una petita quantitat de liti, tots els elements de l'Univers actual s'han produït per fusió nuclear en l'interior de les estrelles. Les estrelles de poca massa, com ara el Sol, produeixen els elements més lleugers, fins a l'oxigen, mentre que les estrelles massives poden originar elements més pesants que l'oxigen, fins al ferro. Els elements més pesants que el ferro, com ara l'or i l'urani, es creen durant els esclats de supernoves d'alta energia i les col·lisions d'estrelles de neutrons. Quan moren, les estrelles alliberen la major part de la seva massa al medi interestel·lar. A partir d'aquesta matèria es formen noves estrelles, en la versió còsmica d'un procés de reciclatge.
A banda de l'hidrogen i de l'heli, així com d'una petita quantitat de liti, gairebé tots els elements es van crear en l'interior de les estrelles i es van alliberar a l'espai en les últimes etapes de la seva vida. Aquest és l'origen de la majoria d'elements que constitueixen el nostre cos, com ara el calci dels ossos, el ferro de la sang i el nitrogen de l'ADN. De la mateixa manera, els elements que constitueixen els altres animals, les plantes i de la majoria de les coses que ens envolten, van ser produïts per estrelles fa milers de milions d'anys.
