Sterne bestehen aus sehr heißem Plasma (Gas, in dem die Elektronen weitgehend von ihren Atomkernen getrennt sind), welches durch seine eigene Gravitation zusammengehalten wird. Die Energie, die Sterne über längere Zeit hinweg abstrahlen, wird bei Kernreaktionen freigesetzt, die im Kern des Sterns ablaufen. Dabei wird Wasserstoff zunächst zu Helium, dann weiter zu schwereren Elementen verschmolzen. Bei Sternen wie unserer Sonne entsteht das Helium durch die sogenannte pp-Kette, in massereicheren Sternen durch den CNO-Zyklus. Sterne werden durch den Druck stabilisiert, der sich durch die in ihrem Zentrum freigesetzte Energie aufbaut. Er wirkt der Gravitationskraft entgegen, die fortwährend versucht, den Stern in sich zusammenzuziehen. Dadurch bleiben die meisten Sterne mit ähnlicher oder geringerer Masse als die Sonne für Milliarden oder sogar Zig-Milliarden Jahre stabil.
Sterne entstehen durch den Gravitationskollaps großer Molekülwolken. Während die Wolken kollabieren, teilen sie sich in Kerne auf, deren Zentralregionen immer heißer und dichter werden. Mit zunehmender Verdichtung entstehen in diesen Kernen Protosterne. Um deren Äquator bilden sich protoplanetare Scheiben aus Gas und Staub aus. Im Verlauf von Millionen von Jahren entstehen in solchen Scheiben Planeten und kleinere Körper. Erreichen Temperatur und Druck im Zentrum eines Protosterns einen kritischen Wert, setzt die Kernfusion ein und ein Stern ist geboren.
Mit einem Äquatordurchmesser von etwa 1,4 Millionen Kilometern ist die Sonne so groß, dass die Erde rund 1,3 Millionen Mal hineinpassen würde. Obwohl die Sonne im Vergleich zu unserem Planeten riesig groß ist, gibt es ungleich größere Sterne im Universum. Der Überriese VY Canis Majoris, einer der größten derzeit bekannten Sterne, hat etwa den 1400-fachen Durchmesser der Sonne. Würde man ihn im Mittelpunkt des Sonnensystems platzieren, läge seine Oberfläche jenseits der Jupiterbahn. Es gibt auch erheblich kleinere Sterne als die Sonne. Der unserer Sonne nächste Stern, Proxima Centauri, ist ein Roter Zwerg mit einem Durchmesser von nur rund 200 000 Kilometern. Das entspricht lediglich etwa dem 16-fachen Erddurchmesser.
Die Oberfläche der Sonne kann dunkle Flecken zeigen. Diese sogenannten Sonnenflecken, in denen das Magnetfeld besonders stark ist, erscheinen dunkler, weil sie kühler als die benachbarten Regionen sind. In einem Zeitraum von 11 Jahren wechseln sich auf der Sonne Phasen mit wenig oder gar keinen Sonnenflecken, dann deutlich mehr und schließlich wieder weniger Sonnenflecken ab. Verdrillen sich die Magnetfeldlinien, sammeln sich beachtliche Mengen an Energie an. Ordnen sich die Magnetfeldlinien anschließend neu an, wird diese Energie explosionsartig in Form von Helligkeitsausbrüchen freigesetzt, sogenannten Flares. Werden dabei auch größere Mengen an Materie von der Sonne weggeschleudert, spricht man von einem koronalen Massenauswurf. Aber selbst in Ruhephasen strömen pro Sekunde rund 1,5 Milliarden Kilogramm an heißem Plasma von der Sonne ab. Dieser sogenannte Sonnenwind breitet sich im Sonnensystem aus und tritt mit den Planeten in Wechselwirkung. Auch andere Sterne produzieren Flares und Sternwinde.
Sterne können Oberflächentemperaturen von wenigen tausend bis zu fünfzigtausend Grad Celsius haben. Heiße Sterne strahlen den größten Teil ihrer Energie im blauen und ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums ab (also bei kurzen Wellenlängen). Sie erscheinen uns daher bläulich. Kältere Sterne erscheinen uns rötlich, da sie den größten Teil ihrer Energie im Roten und Infraroten (bei langen Wellenlängen) abstrahlen
Der Raum zwischen den Sternen enthält Spuren von Materie in Form von Gas, Staub und hochenergetischen Teilchen (Letztere bilden die „kosmische Strahlung”). Diese Materie gehört zum sogenannten interstellaren Medium. Sie kann in unterschiedlichen Teilen der Galaxie mehr oder weniger dicht sein. Die Dichte selbst der dichtesten Bereiche des interstellaren Mediums ist allerdings immer noch tausendmal geringer als jene des besten jemals in einem irdischen Labor erzeugten Vakuums.
Computersimulationen zeigen, dass die ersten Sterne nur einige Millionen Jahre lang existierten. Die durchschnittliche Lebenserwartung eines Sterns wie unserer Sonne liegt dagegen bei etwa 10 Milliarden Jahren. Rote Zwerge noch geringerer Masse können sogar Billionen Jahre alt werden. Ein Stern mit ähnlicher Masse wie unsere Sonne wird sich später zum Roten Riesen entwickeln und anschließend den größten Teil seiner Masse ins All abgeben. Am Ende bleibt er als kompakter Weißer Zwerg zurück, der von einem sogenannten Planetarischen Nebel umgeben ist. Ein Stern mit mindestens acht Sonnenmassen wird sich zu einem Roten Überriesen entwickeln, bevor er als Supernova explodiert und als Neutronenstern oder als Schwarzes Loch endet.
Ein Schwarzes Loch ist ein Raumbereich, dessen extrem starkes Gravitationsfeld alles, was hineinfällt, selbst Licht, daran hindert, den Bereich jemals wieder zu verlassen. Der sogenannte Ereignishorizont grenzt das Schwarze Loch vom Rest des Alls ab. Was einmal hineingelangt ist, müsste sich schon schneller als Licht bewegen, um wieder nach außen zu gelangen. Modelle sagen vorher, dass sich im Zentrum eines Schwarzen Loches eine Singularität befindet, bei der die Materiedichte und Raumkrümmung gegen Unendlich streben. Stellare Schwarze Löcher haben Massen in der Größenordnung einiger zehn Sonnenmassen und einen Radius von ein paar Kilometern bis zu einigen Dutzend Kilometern (abhängig von ihrer Masse).
Abgesehen von Wasserstoff, dem größten Teil des Heliums und kleineren Mengen an Lithium, wurden alle Elemente des heutigen Universums durch Kernfusion im Inneren von Sternen erzeugt. Sterne relativ kleiner Masse, wie unsere Sonne, erzeugen durch Kernfusion Elemente bis hin zum Sauerstoff. Massereiche Sterne können auch schwerere Elemente als Sauerstoff produzieren, bis hin zu Eisen. Elemente schwerer als Eisen, wie Gold und Uran, werden bei hochenergetischen Supernova-Explosionen und Zusammenstößen von Neutronensternen produziert. Bei ihrem Tod führen alle diese Sterne den größten Teil ihrer Masse wieder der interstellaren Materie zu. Daraus entstehen in einer Art kosmischem Recyclingprozess wieder neue Sterne.
Alle Elemente außer Wasserstoff und Helium sowie einem kleinen Anteil des vorhandenen Lithiums wurden größtenteils im Inneren von Sternen erzeugt und während deren letzten Lebensphasen ins All freigesetzt. So entstanden insbesondere die meisten Elemente, aus denen unser Körper besteht , wie das Kalzium unserer Knochen, das Eisen in unserem Blut und der Stickstoff in unserer DNA. Auch die Elemente, aus denen andere Tiere, Pflanzen, ja die meisten Dinge um uns herum bestehen, wurden vor Milliarden von Jahren tief im Inneren früherer Sterne erzeugt.
