Žvaigždžių evoliucija apibūdina procesą, kurio metu žvaigždės susidaro, dega ilgą laiką ir galiausiai miršta. Pakeliui žvaigždė kovoja su gravitacija ir degalų sąnaudomis, bandydama išlaikyti pusiausvyrą. Didžioji žvaigždžių evoliucijos dalis yra teorija, nes žmonės nebuvo šalia pakankamai ilgai, kad galėtų stebėti visą vienos žvaigždės gyvavimo ciklą, tačiau dėl daugybės žvaigždžių įvairiuose etapuose, išsibarsčiusių po visatą, buvo įmanoma padaryti išsilavinusių ir protingi spėjimai apie tai, kaip žvaigždės vystosi laikui bėgant, ir atrodo, kad procesas yra gana nuspėjamas.
Žvaigždžių evoliucijos procesas prasideda nuo žvaigždės formavimosi. Žvaigždės susidaro vadinamuosiuose „milžiniškuose molekuliniuose debesyse“ – sukasi dujų ir dalelių masėmis. Laikui bėgant šie debesys patiria gravitacinį kolapsą, sukuriant protožvaigždes, dangaus kūnus, kurie gali tapti žvaigždėmis. Žvaigždės tipas, į kurį išsivystys protožvaigždė, priklauso nuo jos cheminės sudėties. Žvaigždei palaipsniui susitraukiant, pradeda įvykti daugybė branduolinių reakcijų, dėl kurių žvaigždė įgauna šviesumą.
Galų gale žvaigždė sunaudos kurą, paprastai žlugdama ir pradėdama kitą grandininę įvykių reakciją, dėl kurios žvaigždė užsidega itin karštai ir ryškiai. Priklausomai nuo žvaigždės tipo, mirusi ji gali virsti baltąja nykštuke, neutronine žvaigžde arba juodąja skyle, dažnai prieš šį įvykį su fantastiška supernova, kurią sukelia pabėgusi grandininė reakcija. Žvaigždžių evoliucija nuolat vyksta visoje visatoje, kai žvaigždės ateina ir išeina.
Kiekvieną žvaigždės gyvenimo etapą galima pavaizduoti diagramoje, pavyzdžiui, Hertzsprung-Russel diagramoje. Diagramoje palyginama žvaigždės spalva, dydis, šviesumas ir temperatūra. Tam tikros klasės žvaigždės tokiose diagramose linkusios susijungti, parodydamos aiškius ryšius tarp konkrečių tipų žvaigždžių, kuriuos galima panaudoti norint sužinoti daugiau apie žvaigždes apskritai. Naudodamiesi tokia diagrama, mokslininkai gali atlikti įvairių žvaigždžių stebėjimus ir paversti juos atstumu nuo Žemės bei kitais naudingais žvaigždžių evoliucijos duomenimis.
Daugelis žvaigždžių patenka į klasifikaciją, vadinamą pagrindine seka, nurodant būdingą žvaigždžių sankaupą, kurią galima pamatyti daugelyje schemų, naudojamų žvaigždžių diagramoms pagal charakteristikas. Saulė yra pagrindinės sekos žvaigždės pavyzdys ir, remiantis daugeliu skaičiavimų, ji išliks stabili dar mažiausiai penkis milijardus metų. Pasibaigus pagrindinės sekos laikotarpiui, saulė pavirs raudonuoju milžinu, kuris, naudodamas kurą, gerokai išsiplės ir pakeliui apims kelias planetas, įskaitant Žemę.