Les étoiles sont composées d’un plasma très chaud (un gaz où les électrons et les noyaux d'atomes sont largement séparés) qui est maintenu par sa propre gravité. La production maintenue d'énergie d'une étoile est générée par des réactions nucléaires qui se produisent en son centre, qui fusionnent initialement l'hydrogène en hélium, via la chaîne proton-proton (et pour les étoiles plus massives via le cycle CNO carbone-azote-oxygène) avant de passer à la fusion d'éléments plus lourds. Les étoiles sont stabilisées par la pression maintenue par l'énergie libérée pendant leurs processus de fusion centrale, qui contrecarre l'envie de l'étoile de s'effondrer sous sa propre gravité. De cette façon, la plupart des étoiles de masse similaire ou inférieure à notre Soleil restent stables pendant quelques milliards voire plusieurs dizaines de milliards d'années.
L'effondrement gravitationnel de nuages moléculaires froids géants donne naissance à des étoiles. À mesure que le nuage s'effondre, il se fragmente en noyaux dont les régions centrales deviennent de plus en plus denses et plus chaudes. Au-delà des valeurs critiques de température et de pression, la fusion nucléaire s'initie et une étoile est née. Cette jeune étoile est initialement entourée d'un disque protoplanétaire de poussière et de gaz. Au cours de millions d'années, ce disque se différencie en planètes et en petits corps.
Avec un diamètre équatorial d'environ 1,4 million de kilomètres, le Soleil, l'étoile la plus proche de la Terre, est si grand que nous pourrions le remplir d'environ 1.3 million de Terres. Même si notre étoile est énorme par rapport à notre planète, il y a des étoiles beaucoup plus grandes dans l'Univers. La super géante VY Canis Majoris, avec environ 1400 fois le diamètre du Soleil, est la plus grande étoile connue à ce jour. Si elle était placée au centre du système solaire, la surface de VY Canis Majoris s'étendrait au-delà de l'orbite de Jupiter. Il y a aussi des étoiles beaucoup plus petites que le Soleil. L'étoile la plus proche, Proxima Centauri, est une naine rouge d'un diamètre d'environ 200 000 kilomètres, soit seulement 16 fois le diamètre de la Terre.
Bien qu'elle semble uniforme en apparence, la surface du Soleil peut être marbrée de taches sombres. Ces taches solaires, ou régions à fort champ magnétique, semblent sombres car elles sont plus froides que le matériau environnant. Tous les 11 ans, le Soleil alterne entre la production de nombreuses taches et la production de quelques taches. Parfois, le champ magnétique du Soleil se déforme, génère beaucoup d'énergie et libère cette énergie dans une explosion de lumière et de particules. Ces rafales sont appelées éclats ou éjections de masse coronale. Mais même quand il fait calme, le Soleil éjecte constamment environ 1,5 milliard de kilogrammes de gaz chaud et magnétisé dans l'espace a chaque seconde. Ce vent solaire traverse le Système Solaire et interagit avec les planètes. D'autres étoiles produisent également des éclats et des vents.
Les étoiles peuvent avoir des températures de surface comprises entre quelques milliers de degrés Celsius et cinquante mille degrés Celsius. Les étoiles chaudes rayonnent la majeure partie de leur énergie dans la région bleue et ultraviolette du spectre électromagnétique (à de courtes longueurs d'onde), et ont ainsi un aspect bleuâtre à nos yeux. Les étoiles plus froides sont rougeâtres, car elles rayonnent la plupart de leur énergie dans les régions rouges et infrarouges du spectre électromagnétique (à de longues longueurs d'onde).
L'espace entre les étoiles contient de minuscules traces de matière sous forme de gaz, de poussière et de particules de haute énergie («rayons cosmiques»). Ce contenu est appelé le Milieu Interstellaire. Il peut être plus ou moins dense dans différentes parties de la galaxie. Cependant, même les régions les plus denses du milieu interstellaire sont encore mille fois moins denses que le meilleur vide créé en laboratoire.
Les simulations informatiques révèlent que les premières étoiles avaient une durée de vie de quelques millions d'années. En revanche, l'espérance de vie moyenne d'une étoile similaire au Soleil est d'environ 10 milliards d'années. Les étoiles naines rouges de faible masse peuvent vivre pendant des milliards d'années. Une étoile avec une masse similaire à celle de notre Soleil finira par évoluer en une étoile géante rouge et plus tard, éjectera la majeure partie de sa masse dans l'espace, laissant derrière elle une étoile naine blanche compacte entourée de ce qu'on appelle une nébuleuse planétaire. Une étoile avec au moins huit masses solaires évoluera en une supergéante rouge avant d'exploser dans un événement appelé supernova, laissant derrière elle une étoile à neutrons ou un trou noir stellaire.
Un trou noir est une région de l'espace dont le champ gravitationnel extrême empêche tout, même la lumière, de s'échapper une fois qu'il a traversé l'horizon des événements. L'horizon des événements est une surface limite entourant un trou noir, où la vitesse nécessaire pour échapper à son champ gravitationnel est supérieure à la vitesse de la lumière. Les modèles théoriques prédisent qu'au centre d'un trou noir se trouve une singularité, où la densité de matière et la courbure de l'espace- temps se rapprochent de l'infini. Les trous noirs de masse stellaire ont des masses de l'ordre de quelques dizaines de masses solaires, dans une région ayant un rayon de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres (selon la masse).
Hormis l'hydrogène, la plupart de l'hélium et une petite quantité de lithium, tous les éléments de l'Univers actuel ont été produits à l'intérieur des étoiles par fusion nucléaire. Les étoiles de faible masse, comme le Soleil, produisent des éléments jusqu'à l'oxygène par fusion nucléaire, tandis que les étoiles massives peuvent créer des éléments plus lourds que l'oxygène et jusqu'au fer. Des éléments plus lourds que le fer, comme l'or et l'uranium, sont créés lors d'explosions de supernova à haute énergie et de collisions d’étoile à neutron. Lorsqu'elles meurent, les étoiles libèrent la majeure partie de leur masse dans le Milieu Interstellaire. De cette matière, de nouvelles étoiles se forment, dans la version cosmique d'un processus de recyclage.
Des éléments autres que l'hydrogène et l'hélium et une petite quantité de lithium, ont été principalement créés à l'intérieur des étoiles et libérés dans l'espace au cours des dernières étapes de la vie de ces étoiles. C'est l'origine de la plupart des éléments qui composent nos corps, comme le calcium dans nos os, le fer dans notre sang et l'azote dans notre ADN. De la même manière, les éléments qui composent les autres animaux, les plantes et la plupart des choses que nous voyons autour de nous ont été produits par des étoiles il y a des milliards d'années.
